[논문 리뷰] Temperature in Glass Slides: measurement using Phase Sensitive Optical Coherence Tomography and Computational Modeling

José M. Folgueiras, L. G. Chej외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 18.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 공용 경로 설정을 이용한 위상-민감 광학 코히런스 단층촬영(PhS-OCT) 방법으로 1-mm 소다-라이-글래스 슬라이드의 온도 의존적 광경로 차이를 측정하고, 20–52°C에서 보정되며 이론적 및 수치 모델링으로 접근법을 검증합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 투명 물질 내부의 온도를 비접촉식으로 측정하는 PhS-OCT 방법을 개발한다.
• 제어된 배수조에서 소다-라이 글래스 슬라이드의 OPD-온도 관계를 보정한다.
• 불확실성 정량화와 반복성 및 공간적 열 매핑 가능성을 평가한다.
• 열-역학-광학 모델 및 유한 용적 열 시뮬레이션으로 실험 측정을 검증한다.

제안 방법

• 글래스 슬라이드의 양면이 샘플 암과 기준 암을 형성하는 공용경로 FD-OCT 시스템을 사용한다.
• 제어된 열 욕조 실험을 통해 20–50°C에서 OPD를 온도에 대해 보정한다.
• Maximum Amplitude Zone 내 다중 지점에서 위상을 회수하여 정확도를 높이고 위상 래핑 아티팩트를 피한다.
• Δz ≈ L( dn/dT + β n ) ΔT로 재료별 dn/dT와 β를 갖는 OPD 변화를 모델링하고 실험적 기울기와 비교한다.
• OpenFOAM 기반의 3D 열전달 시뮬레이션을 수행하여 온도 분포를 매핑하고 센서 읽기를 검증한다.
• OPD 반복성 및 기울기 불확실성을 포함한 측정 불확실성을 정량화한다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상-민감 OCT가 고체 글래스 기판 내부의 온도를 비접촉식으로 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ2 20–50°C 범위에서 소다-라이 글래스의 보정된 OPD–온도 관계는 무엇이며 이론과 실험이 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 글래스 슬라이드를 둘러싼 물 욕조의 온도 분포는 얼마나 균일하며 이것이 OPD 기반 온도측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 방법의 반복성과 2D 공간 프로파일링 가능성은 무엇이며 향후 2D 열 매핑에의 활용은?

주요 결과

• OPD는 20–52°C에서 온도와 강한 선형 상관을 보이며 감도는 12.4 ± 1.9 nm/°C이다.
• 측정된 OPD–온도 기울기는 이론적 예측(~13.5 nm/°C)과 약 8.5% 이내로 일치한다.
• 모든 측정 시퀀스에서 R² > 0.99로 OPD와 온도 사이의 선형성을 견고하게 보여준다.
• 실험 및 시뮬레이션 온도 간 MAPE가 시퀀스 S3 및 S4에서 4.97%이다.
• 공간적 OPD 프로파일링의 반응성은 10 nm 미만의 반복성을 달성하여 열 구배의 탐지를 가능하게 한다.
• OPD 기반 온도 측정은 저비용의 라벨 프리 접근법으로 투명 고체에서 국소 열 감지에 적합하다.

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.