[論文レビュー] Temperature in Glass Slides: measurement using Phase Sensitive Optical Coherence Tomography and Computational Modeling

José M. Folgueiras, L. G. Chej+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2026

Optical Coherence Tomography Applications被引用数 0

ひとこと要約

この論文は共通路系を用いた位相感度OCT法を用いて、20–52°Cで較正された1 mmのソーダライムガラス片の温度依存光路差を測定する方法を示し、理論・数値モデリングが手法を検証します。

ABSTRACT

Phase-sensitive optical coherence tomography (PhS-OCT) enables precise, contactless measurements of temperature-dependent changes in transparent solids. In this work, we used a common-path spectral-domain OCT system to measure optical path differences (OPD) in a 1-mm-thick soda-lime glass slide immersed in a thermal bath. The OPD variation showed a strong linear correlation with temperature in the range of 20-52°C, with an experimentally determined sensitivity of 12.4 +- 1.9 nm/°C. A theoretical model incorporating the thermo-optic and thermal expansion coefficients of glass was proposed to interpret the measurements, and numerical simulations based on finite volume methods were performed to account for spatial temperature gradients in the system. The simulations showed agreement with experimental results within 5% error, validating the approach. Additionally, repeatability tests using lateral scans at constant temperature demonstrated sub-10 nm stability, supporting future extensions to spatially resolved thermal mapping. This technique provides a low-cost platform for localized temperature sensing in solid transparent materials.

研究の動機と目的

• PhS-OCTを用いた固体透明材料内部の温度を非接触で測定する方法を開発する。
• 制御浴内でソーダライムガラス片のOPD–温度関係を較正する。
• 不確かさの定量化と再現性および空間温度マッピングの可能性を評価する。
• 熱機械光学モデルと有限体積熱シミュレーションで実験測定を検証する。

提案手法

• ガラス片の両表面がサンプルおよびリファレンスアームを形成する共通路FD-OCTシステムを使用する。
• 20–50°Cの範囲で制御温浴実験を用いてOPDと温度の関係を較正する。
• 最大振幅域内の複数点から位相を取得して精度を向上させ、位相巻き戻しアーティファクトを回避する。
• 材料固有のdn/dTおよびβを用いてΔz ≈ L( dn/dT + β n ) ΔTとしてOPD変化をモデル化し、実験勾配と比較する。
• 3D OpenFOAMベースの結合熱伝達シミュレーションを実施し温度分布を把握してセンサー readingsを検証する。
• OPDの再現性と傾斜不確かさを含む測定不確かさを定量化する。

Figure 1: Schematic of the low-coherence interferometer setup. Key components: (a) SuperK white-light laser, (b) 50:50 fiber beam splitter, (c) collimator (d) HR4000 spectrometer.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相感度OCTは固体ガラス基板内部の温度を非接触で信頼性高く測定できるか。
• RQ2 20–50°C範囲でのソーダライムガラスのOPD–温度関係はどうなり、理論と実験はどの程度一致するか。
• RQ3 ガラス片を囲む水浴の温度場はどれくらい均一で、これがOPDベースの熱計測にどのような影響を与えるか。
• RQ4 提案手法の再現性と空間的プロファイリング能力は2D温度分布マッピングの可能性にどの程度寄与するか。

主な発見

• OPDは20–52°Cで温度と強い線形相関を示し、感度は 12.4 ± 1.9 nm/°C。
• OPD–温度勾配は理論予測（約13.5 nm/°C）と一致するが約8.5%の差である。
• 全測定系列でR² > 0.99、OPDと温度の線形性が堅牢である。
• 実験温度とシミュレーション温度のMAPEは系列S3とS4で4.97%。
• 空間的OPDプロファイリングで10 nm未満の再現性を実現でき、温度勾配の検出ポテンシャルがある。
• OPDベースの温度測定は低コスト・ラベルフリーで透明固体内局所温度感知に適している。

Figure 2: Cross-sectional view of the temperature-controlled water bath assembly: (c) collimator (e) glass crystallizer, (f) glass slide, (g) plastic tube maintaining dry optical surface, (h) ceramic hot plate with PID controller, and (i) PT100 thermal sensor.