[論文レビュー] Application of image processing in optical method, Moire deflectometry for investigating the optical properties of zinc oxide nanoparticle

Fatemeh Jamal, Fatemeh Ahmadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 8被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、MATLABを用いた画像処理と組み合わせた低コスト・高精度なモアレ効果デフォルメトリ（Moiré deflectometry）法を提案し、亜酸化亜鉛（ZnO）ナノ粒子の非線形屈折率および吸収係数を測定した。レーザー誘発の縞模様のずれをCCDで記録した画像を分析することで、非接触でスキャンを要せず、微小な屈折率変化をリアルタイムで検出可能であり、10⁻⁴未塔の分解能を達成した。また、コロイド安定性および光学的透明性の観点からモノエタノールアミンが最適な安定化剤であることが同定された。

ABSTRACT

Nowadays for measurement of refractive index of nanomaterials usually spectro-photometric and mechanical methods are used which are expensive and indirect. In this paper for measuring these parameters of zinc oxide nanomaterial with two different stabilizers, a simple optical method, Moire deflectometry, which is based on wave front analysis and geometric optics is used. In the Moire deflectometry method, the beam of light from the laser diode passes through the sample. As a result of that, a change in the sample environment is observed as deflections of the fringes. By recording of these deflections using CCD and image processing with MATLAB, the nanomaterials refractive indices can be calculated. Due to the high accuracy of this method and improved the image processing code in Matlab, the smallest changes of the refractive index in the sample can be measured. Digital Image processing is used for processing images in a way that features can be selected and being shown. The results obtained in this method show a good improvement over the other used methods.

研究の動機と目的

• ZnOナノ粒子の非線形屈折率および吸収係数を測定する簡単で非スキャン型の光学的手法を開発すること。
• Zスキャンなどの高価で間接的な手法の限界を克服し、波面解析と幾何光学を用いることにより、屈折率変化を直接測定すること。
• 異なる安定化剤（モノエタノールアミン対ジエタノールアミン）がナノ粒子の光学的安定性および測定可能な縞模様のずれに与える影響を評価すること。
• 画像処理の感度が微小な縞模様のずれを検出でき、これにより微小な屈折率変化に対応できることを示すこと。
• キャリブレーションを要しない、信頼性が高く振動に不感なナノ材料の光学的特性評価法を確立すること。

提案手法

• モアレ効果デフォルメトリでは、レーザー光がZnOナノ粒子試料を通過する際、屈折率の変化に起因する縞模様のずれが生じる。
• 縞模様はCCDカメラで撮影され、カスタムMATLABアルゴリズムを用いて処理され、位置ずれが検出される。
• ずれ量δdm(y,z)は、基準縞模様と歪んだ縞模様の位置差として計算され、局所的な屈折率変化の定量的評価が可能になる。
• 非線形屈折率n₂は、式(2)を用いてずれ量から導出され、最初の縞模様ではn₂ = -1.983 × 10⁻⁴が得られた。
• 吸収係数βは式(4)を用いて計算され、最初の縞模様ではβ = 2.28 cm⁻¹が得られた。
• 画像処理は、複数の縞模様における位置の特定と比較に焦点を当て、屈折率の空間的分布の評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 画像処理を用いたモアレ効果デフォルメトリは、ZnOナノ粒子の屈折率変化を10⁻⁴未塔の分解能で検出可能か？
• RQ2 安定化剤の選択（モノエタノールアミン対ジエタノールアミン）は、ZnOナノ粒子の光学的安定性および測定可能な縞模様のずれにどのように影響するか？
• RQ3 ZnO試料における複数のモアレ縞模様における屈折率変化の空間的分布はいかなるものか？
• RQ4 キャリブレーションを要せず、非線形屈折率の符号および大きさをリアルタイムに特定できるか？
• RQ5 縞模様のずれの大きさとZnOナノ粒子の非線形吸収係数との相関関係は何か？

主な発見

• 最初のモアレ縞模様が最大のずれを示し、最大の屈折率変化（Δn = -2.8 × 10⁻⁴）を示し、n₂ = -1.983 × 10⁻⁴が得られた。
• 最初の縞模様における吸収係数は、式(4)を用いてβ = 2.28 cm⁻¹として計算された。
• 画像処理により、最小の測定可能な屈折率変化が検出可能であり、高い感度と精度を示した。
• モノエタノールアミンが最適な安定化剤として特定され、コロイド安定性を維持するとともに、明確で測定可能な縞模様のずれを生じさせた。
• ジエタノールアミンでは顕著な縞模様の変化が観察されず、光学的品質が劣化し、本手法には不適切であることが示された。
• 本手法は、環境要因への感受性が低く、キャリブレーションなしでリアルタイムかつ非スキャン型で非線形光学的パラメータを測定可能であった。