Márton Zsuzsanna (Márton Zsuzsanna (1123457),2,3,4,5,7 ... · 3. előadás Néhány fényen alapuló mérési eljárás A teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány olyan mérési

Á ti f lké íté h i ELI j ktt l ö fü ő ké é i é K F f l d t k "„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

Optikai mérési módszerek

Márton Zsuzsanna (1 2 3 4 5 7)Márton Zsuzsanna (1,2,3,4,5,7)Tóth György (8,9,10,11,12)

Pálf l i Lá ló (6)Pálfalvi László (6)

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 1

3. előadás

Néhány fényen alapuló mérési eljárás

A teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány olyan mérési módszert, amelyek a fényt mint mérőeszközt használják fel.

• Lézeres távolságmérés• Lézer Doppler sebességmérés, pp g• Fényszóráson alapuló aeroszol- és hidroszol- koncentrációmérések, • Ellipszometria


Lézeres távolságmérésgLézeres távolságmérési technikák:

• Trianguláció• Repülési idő mérése (time of flight)• Fázistolás mérése• Fázistolás mérése• Frekvencia moduláción alapuló mérés• Interferometrikus módszerek

Előnyök: nagy pontosság és érzékenység, nagyon gyors mérés (MHz-es sávszélesség), széles gy p g y g, gy gy ( g),mérési tartomány.Viszont nem mind egyetlen eszközben!

Alkalmazás: építészet, térinformatika, közlekedés, haditechnika, gépi „látás” stb.


Piacon kapható eszközök.

Lézeres távolságmérés

Tükröződés és diffúz visszaverődés

Ált láb 670 diód lé• Általában 670 nm-es dióda lézer• A foltméret meghatározza a mérési

pontosságot

Távolságmérés

• Detektor: pozíció érzékelő analóg detektor (PSD) vagy diódasor, CCD


Távolságmérés tükröződő felületen

Lézeres távolságmérés - alkalmazásokgA Mona Lisa részletes felmérése háromszögeléses 3D LIDAR felmérésfelmérése háromszögeléses módszerrel

3D LIDAR felmérésLIght Detection And Ranging

• a „repülési idő” mérésea „repülési idő mérése• nagy hatótávolságú• viszonylag pontatlan• fluoreszcens LIDAR: anyagi „Szintvonalak” y g

minőségre is érzékenyEnyhén deformálódott hordozó

http://media3.s-nbcnews.com/j/msnbc/Components/Photos/060927/060927 monalisa bcol 830a grid


060927/060927_monalisa_bcol_830a.grid-4x2.jpg http://cast.uark.edu/samaipata/image/project_scan.jpg

Lézer Doppler sebességmérésRészecske, vp erősítő

lézernyaláb

:effektusDopplerve vv

ydetektorapertúra

frekvenciatkibocsátotaahol

),(11

bprb

pb

cve

cve

br

f

eev

fffppr

pb

λvv

v

vv −+≈−−

=

sebessége részecske a frekvencia mért helyén detektor a

,frekvencia tkibocsátot a ahol

p

r

b

vff

oregységvekt mutató felé detektor a őlrészecskét a oregységvekt mutató irányába nyaláb a,

,pr

b

p

ee


zahullámhoss nyaláb a ,bλ

Lézer Doppler sebességmérésxv

• A két nyaláb ellentétes előjelű Doppler

pv

2e− 1eeltolódást okoz

• Nem a nagyon kis Doppler eltolódást mérjük közvetlenül, hanem a két

2e

θ / 2

1e

j ,frekvenciában eltolódott jelből származó lebegés frekvenciáját.

• A lebegési frekvencia elég kicsi ahhozA lebegési frekvencia elég kicsi ahhoz, hogy a fotodiódával mérni lehessen.

Lebegési frekvencia sebesség

( )v

:jafrekvenciálebegésA

g g


( )cvf

cv

eeffff xbc

vepbbbrrd

ppr θsin21)(1

2121 ≈−−=−=−vvvv

Lézer Doppler sebességmérés

• A két beeső lézernyaláb• A két beeső lézernyaláb átfedésénél interferencia csíkoktmért

Jel

• Ha a csíkok távolságának nagyságrendjébe eső kis részecske mozog a csíkokra Idő gmerőlegesen => periodikusanváltozik a szórt fény intenzitásaintenzitása

Repülési idő sebesség


Lézer Doppler sebességmérés -a mérőeszköz felépítése

Lézer Leképezőoptika Detektor

HeNeAr-IonNd:Yag

NyalábosztóAkromát lencse

GázFolyadékRészecske

Akromát lencseTérszűrésPMT

J lf ld l á J lk dí i álá

Nd:YagDióda

Részecske PMTFotodióda

PC Jelfeldolgozás Jelkondícionálás

Spektrum analizátor Erősítő

PC

pKorrelátorSzámláló

Szűrő


Lézer Doppler sebességmérés - alkalmazások • Szélcsatorna kísérletek (autók, repülők épületek körüli áramlások)• Áramló folyadékok vizsgálata (csővezetékek, hajótestek tervezése,

é á lá )véráramlás)• Környezeti kutatások (robbantások vizsgálata, hullám dinamika, árapály

modellezés stb.)• Turbulenciák vizsgálata• Stb.

2 komponensű sebességmérés egy helikopter modell körül szélcsatornában


https://www.adinstruments.com/products/laser-doppler-probeshttp://www.dantecdynamics.com/laser-doppler-anemometry

Részecskék méreteloszlásának mérése fé ó á k l áfényszórásuk alapján

Fényszórás különböző mérettartományokban α méretparaméter szerint, y y p(Dp a részecske mérete)

λπ

α pD=

szórás-Rayleigh 1. ,1<<α

62

2

24

2

2

0 2212

2cos1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

= pDnn

RII

λπθ

A Mie-szórás intenzitásának méretfüggése vízcseppeken

I0 bemenő intenzitásI szórt intenzitásλ lézer hullámhosszθ szórási szögR a részecske távolsága

λ=633 nmθ =4-12°n=1.33

szórás-Mie 2. ,1≅α

gn törésmutató

http://www.cas.manchester.ac.uk/restools/instruments/aerosol/opc/mie/index.html

Bonyolult összefüggés


szórás Geometriai 3. ,1>>α 20 ),( pDnKII θ= K(n,θ) szögtől és törésmutatótól függő tényező

A Mie-szórás irány szerinti eloszlásahttp://omlc.ogi.edu/cgi-bin/mie_angles.cgi?diameter=1.0&lambda_vac=0.6328&n_medium=1.0&nr_sphere=1.5&ni_sphere=0&n_angles =100&density=0.3

On-line számoló program:

y

PolarizációSzórt intenzitás logaritmusa

A beeső fény irányaA beeső fény iránya


Részecske számláló eszközök• Nincs egyszerű kapcsolat a részecskeméret és a szórt intenzitás közt

ismert méretű részecskékkel kalibrálni kell• Ahhoz, hogy egy részecskéről szórt fényt detektálni tudjunk intenzív

fényforrás kell lézer.• Csökkenő részecskeméret Rayleigh-szórás• 100 nm alatti részecskeméretnél a nagy intenzitás rezonátoron belüli

elrendezéssel valósítható megelrendezéssel valósítható meg

•Measuring principle: Mie Scattering Theory according ISO 13320•Measuring range: 0.01 µm - 3000 µm


Rezonátoron belüli részecskeméret meghatározás •Type of analysis: dry and wet analysis

http://www.retsch-technology.com/rt/products/laser-light-scattering/?gclid=CNSD-4K8v70CFeXLtAodcBUA8Q

Fá i D l t iFázis-Doppler anemometria

1. detektor• Nagy részecskék esetén a belső

visszaverődések miatt a különbözővisszaverődések miatt a különböző irányokba visszavert jel különböző fázisban érkezik.

• A detektorok által mért jelek• A detektorok által mért jelek fáziskülönbségéből a méret (nem túl kis részecskékre) meghatározhatóH fá i külö b é bb i t 2• Ha a fáziskülönbség nagyobb mint 2π, akkor a méretben bizonytalanság lép föl.

2. detektor • Ez 3 detektoros rendszerrel elkerülhető


EllipszometriapA mérés elve:

• A polarizáció megváltozását mérjük miközben a fény áthalad egy anyagon vagy visszaverődik arról

• A mért mennyiségek: amplitúdók aránya (Ψ), fáziskülönbség (Δ)• Elsősorban rétegvastagság és a réteg optikai tulajdonságainak

meghatározására használjákg j• A rétegvastagság 10-10 m-ig, azaz 1 Angströmig mérhető!• További kinyerhető információk: pl. összetétel, kristályszerkezet,

érdesség szennyezők koncentrációjaérdesség, szennyezők koncentrációja


A fény polarizációja)cos()cos()( ϕωω Δ+−+−= kztEekztEetE yyxx

vvv

Δϕ=0°: lineárisan polarizált Δϕ=random: polarizálatlan ϕ 0 eá sa po a á t ϕ p

Δϕ=90°: cirkulárisan polarizáltΔϕ=konstans: általános eset, elliptikusan polarizált


elliptikusan polarizált

Fényterjedés az anyagbanMeghatározó anyagi paraméterek:

• A komplex törésmutató: ,~ iknn +=A komplex törésmutató:ahol n a szokásos törésmutató, k az extinkciós koefficiens

,iknn +

,~21 εεε i+= ~~ 2n=ε

• A fénysebesség az anyagban v, vákuumban c:

,21 εεε i+ .n=ε

ncv =

• k az extinkciós koefficiens, ami az anyag fényelnyelő képességével van kapcsolatban.

n

πk4

B L b t tö é ( él é b é t i t itá h I(0) b ő

λπα k4

=

• Beer-Lambert törvény (a z mélységben mért intenzitás, ha I(0) a beeső intenzitás):

zeIzI α−= )0()(


A Fresnel-formulák

)cos()cos()cos()cos(

0

0

ttii

ttii

i

rs nn

nnEEr

φφφφ

+−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

)cos()cos()cos()cos(

)cos()cos(

0

0

0

itti

tiit

pi

rp

ttiisi

nnnn

EEr

φφφφ

φφ

+−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎠⎝

)cos()cos()cos(2

)()(

0

0

0

ttii

ii

si

ts

ittipi

nnn

EEt

φφφ

φφ

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎠⎝

)cos()cos()cos(2

)()(

0

0

0

itti

ii

pi

tp

ttiisi

nnn

EEt

φφφ

φφ

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎠⎝

p⎠⎝

• Leírják a reflektált és a transzmittált térerősség s és p komponenseit a b ő té ő é h i ítbeeső térerősséghez viszonyítva

• Vékonyrétegeken és többrétegű struktúrákon való áthaladáskor követni kell minden komponens relatív fázisát, mert ezek interferenciája adja a teljes

f f


reflektált vagy transzmittált fényt.

Fényvisszaverődés vékonyrétegen• Vezessük be a vékonyréteg β fázisvastagságát! • Ezzel és a Fresnel-formulák segítségével számolhatjuk a

többszörös reflexió hatását a reflektált nyaláb intenzitására és

1 ⎟⎞

⎜⎛ t

többszörös reflexió hatását a reflektált nyaláb intenzitására és fázisára.

01rβietrt 2

101201−

)cos(2 111 Φ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ntλ

πβ

0~n

101201βietrrrt 4

1012101201−

φ0

1~n φ1t1

2~n

19TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

Az ellipszometriai mérés elve • Az s és p komponensek reflexió vagy

transzmisszió során megváltoznakg• Az emiatt bekövetkező eredő polarizáció

megváltozást ΔΨ= ie)tan(ρ

alakban szokás felírni, ahol

)(ρ

sp RR /)tan( =Ψ a relatív amplitúdó gyengítéssp)( a relatív amplitúdó gyengítés

)arg()arg( sp RR −=Δ a relatív fázistolás az sés p polarizáció közt a

fl ió áforgó analizátor

A forgó analizátor periodikusanváltozó jeléből

reflexió során

polarizátorváltozó jeléből visszaszámolhatók az „effektív” anyagi paraméterek.(ha nincs felületi réteg pl


(ha nincs felületi réteg, pl. oxidmentes a felület)

Az ellipszometriai mérés kiértékeléseMérés

Modell n rétegre az anyagi tulajdonságok előzetes becslésével

A modell illesztése a mérési adatokhozAz illesztendő paraméterek számát a minta információ

t t l h tátartalma határozza meg

Az illesztési paraméterek változtatásával optimalizáljuk az illeszkedés jóságát leíró mennyiséget (pl. MSE)

Eredmény: törésmutató (n), extinkciós koefficiens (k), réte asta sá érdessé (ro hness) stb


rétegvastagság, érdesség (roughness), stb.

Documents

Márton Zsuzsanna (Márton Zsuzsanna (1123457),2,3,4,5,7 ... · 3. előadás Néhány fényen alapuló mérési eljárás A teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány olyan mérési