[논문 리뷰] Application of image processing in optical method, Moire deflectometry for investigating the optical properties of zinc oxide nanoparticle

Fatemeh Jamal, Fatemeh Ahmadi외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Optical Polarization and Ellipsometry참고 문헌 8인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 저비용, 고정밀도의 모어레 데플렉토미터리 방법과 MATLAB 기반 이미지 처리를 결합하여 아연 산화물(ZnO) 나노입자의 비선형 굴절률 및 흡수 계수를 측정한다. CCD에 기록된 이미지에서 레이저 유도 간섭 무늬의 휘어짐을 분석함으로써, 실시간으로 스캔 없이 미세한 굴절률 변화를 감지할 수 있으며, 10⁻⁴ 이하의 해상도를 달성하고, 단일 에탄올아민이 콜로이드 안정성과 광학 투명도에 최적임을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• ZnO 나노입자의 비선형 굴절률과 흡수 계수를 측정하기 위한 단순하고 비스캔 기반의 광학적 방법을 개발하기 위해.
• Z-스캔과 같은 고비용이고 간접적인 방법의 한계를 보완하기 위해 파면 분석과 기하광학 원리를 활용함으로써.
• 다양한 안정제(단일 에탄올아민 대비 이에탄올아민)가 나노입자의 광학적 안정성과 측정 가능한 간섭 무늬의 휘어짐에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이미지 처리 기법이 미세한 간섭 무늬의 휘어짐을 감지함으로써 작은 굴절률 변화를 탐지하는 민감도를 입증하기 위해.
• 캘리브레이션 없이도 신뢰성 있고 진동에 민감하지 않은 나노재료 광학 특성 분석 방법을 확립하기 위해.

제안 방법

• 모어레 데플렉토미터리는 레이저 빔이 ZnO 나노입자 시료를 통과하면서 굴절률 변화로 인해 발생하는 간섭 무늬의 휘어짐을 이용한다.
• 간섭 무늬 패tern은 CCD 카메라로 촬영되고, 맞춤형 MATLAB 알고리즘을 사용하여 위치 이동을 검출한다.
• 편향 δdm(y,z)는 기준 무늬 위치와 휘어진 무늬 위치의 차이로 계산되며, 국소 굴절률 변화의 정량화를 가능하게 한다.
• 비선형 굴절률 n₂는 식 (2)를 사용하여 편향으로부터 유도되며, 첫 번째 무늬에 대해 n₂ = -1.983 × 10⁻⁴로 산출된다.
• 흡수 계수 β는 식 (4)를 사용하여 계산되며, 첫 번째 무늬에 대해 β = 2.28 cm⁻¹로 산출된다.
• 이미지 처리 방법은 다수의 간섭 무늬 간의 위치 비교를 통해 국소 굴절률 분포를 평가하는 데 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이미지 처리 기반 모어레 데플렉토미터리는 ZnO 나노입자의 굴절률 변화를 10⁻⁴ 이하로 감지할 수 있는가?
• RQ2 안정제 선택(단일 에탄올아민 대비 이에탄올아민)이 ZnO 나노입자의 광학적 안정성과 측정 가능한 간섭 무늬의 휘어짐에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ZnO 시료에서 다수의 모어레 무늬 간에 굴절률 변화의 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 캘리브레이션 없이도 비선형 굴절률의 부호와 크기를 실시간으로 결정할 수 있는가?
• RQ5 간섭 무늬의 휘어짐 크기와 ZnO 나노입자의 비선형 흡수 계수 사이에 어떤 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 첫 번째 모어레 무늬에서 가장 큰 휘어짐이 관찰되어 가장 높은 굴절률 변화(Δn = -2.8 × 10⁻⁴)를 나타내며, 이로부터 n₂ = -1.983 × 10⁻⁴로 산출되었다.
• 식 (4)를 사용하여 첫 번째 무늬의 흡수 계수는 β = 2.28 cm⁻¹로 계산되었다.
• 이미지 처리 기법을 통해 가장 작은 측정 가능한 굴절률 변화를 감지할 수 있었으며, 높은 민감도와 정밀도를 입증하였다.
• 단일 에탄올아민이 최적의 안정제로 규명되었으며, 콜로이드 안정성을 유지하고 명확한 측정 가능한 간섭 무늬의 휘어짐을 유도하였다.
• 이에탄올아민은 관찰 가능한 간섭 무늬 변화가 없었으며, 이는 광학 품질이 열화되고 이 방법에 부적합함을 시사한다.
• 이 방법은 환경에 대한 민감도가 최소화된 실시간 비스캔 측정을 통해 비선형 광학적 매개변수를 측정하는 데 성공하였다.