Geri Dön

Design and realization of a speckle enhanced prism spectrometer

Benek desenleri ile geliştirilmiş prizma spektrometresi tasarımı ve gerçeklenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 540250
  2. Yazar: ŞAKİR KAAN ÇETİNDAĞ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Spektroskopi elektromanyetik dalgaların madde ile etkileşimini kullanarak ölçüm yapma işlemi olup, günümüde biyomedikalden inşaate (çimento karışımlarının yoğunluk ölçümü) bir çok sektörde sıkça kullanılmaltadır. Elektromanyetik radyasyonun madde ile etkileşimi sonrası dalgaboyunda meydana gelen değişiklikler bir spektrometre ile incelenerek madde hakkında bilgi sahibi olunur ve bu sayede hızlı ve kesin sonuçlar elde edilir. Spektrometreler çalışma prensiplerine göre gruplandırılabilir. Prizma spektrometreleri ışığın kırılmasını kullanarak gelen elektromanyetik dalgayı dalga boylarına göre ayırır. Elektromanyetik dalgalar yayılma sırasında ortam değiştirdiğinde kırılmaya uğrar ve yön değiştirir. Bu kırılma açışı ortamların kırılma indisleri oranına, dolayısıyla da prizmayapımında da kullanılan malzemeye ve gelen elektromanyetik dalganın dalga boyuna bağlıdır. Geniş dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalar daha fazla kırılırken küçük dalga boyuna sahip olanlar daha kırılmaya uğrar. Bu sayede farklı açılarda yayılmaya devam ederler ve ayrılmış olurlar. Kırılma açısı dalga boyları arasındaki farka bağlı olduğu için küçük dalga boyu farkı küçük kırılma açısı farkı yaratacaktır. Bu da prizma spektrometrelerinin çözünürlüğünü kullanılan prizmanın malzemesine ve boyutuna bağlı bir hale getirmekte ve dolayısıyla çok yüksek çözünürlüklü prizma spektrometrelerin gerçekleştirilmesini zorlaştırmaktadır. Kırınım ızgarası spektrometreleri ise elektromanyetik dalgaları kırınımı kullanarak dalga boylarına ayırırlar. Kırınım ızgarasında her bir delik farklı bir ışık kaynağı gibi davranacağı için bu kaynaklardan çıkan ışıklar ekran üzerinde girişim deseni oluşturmaktadır. Bu girişim desenleri dalgaboyu aralığı arttıkça üst üste bineceklerinden dolayı kırınım ızgaralarının kullanılabileceği dalga boyu aralığı genellikle sınırlıdır. Üçüncü ve diğer iki metoda kıyasla daha yeni sayılabilecek bir başka spektrometre dizaynı da benek (speckle) desenlerini kullanarak elektromanyetik dalganın dalga boyu değişimlerini inceler. Koherent elektromanyetik dalga koherensini kaybetmesi sonucunda kendi içinde girişime uğraması sonucunda benek desenleri oluşur. Elektromanyetik dalganın koherensini kaybetmesine yol açan birden fazla yöntem vardır. Bunlardan bir tanesi elektromanyetik dalganın çok kipli bir fiber optik kablodan geçmesi ve farklı kiplerin birbiriyle girişip kablo çıkışında benek desenleri oluşmasıdır. Bir diğer yöntem de elektromanyetik dalganın dağıtıcı bir yüzeyden geçerken dalga boyuna bağlı olarak pseudorandom bir şekilde saçılması ve bunun sonucunda saçılan farklı dalga boyu elemanlarının girişime uğramasıyla benek desenlerinin oluşmasıdır. Her iki durumda da oluşan benek desenleri koherensi bozan fiziksel ortamın özelliklerininyanı sıra kullanılan elektromanetik dalganın dalga boyuna bağlıdır ve bu sebeple oluşan benek desenleri bir CMOS veya CCD kamera ile kaydedilip incelenerek dalga boyu hakkında bilgi vermektedir ve bu sayede benek desenleri de bir spektrometre olarak kullanılabilmektedir. Benek desenleri kullanılarak gerçeklenen bir spektrometrenin hem prizma hem de kırınım ızgarası spektrometrelerine kıyazla avantajları vardır. Prizma spektrometreleri geniş bir serbest spektral alana sahipken düşük çözünürlük sağlamaktadırlar ve kırınım ızgarası spektrometreleride yüksek çözünürlüğe sahip olmalarına karşın serbest spektral alanları dardır. Benek deseni spektrometreleri ise her iki spektrometreden daha yüksek bir çözünürlüğe sahiptirler. Bunun sebebi benek spektrometrelerinin bir boyutlu dalga boyu uzayını diğer spektrometrelerin aksine iki boyutlu uzamsal uzaya haritalamalarıdır. Bu tezde bir prizma ile saçıcı beraber kullanılarak benek ile geliştirilmiş bir prizma spektrometresi (SEPS) tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Saçıcının prizma ile beraber kullanılması prizmanın geniş – teorik olarak sonsuz – serbest spektral alanını benek desenlerinin yüksek çözünürlüğü ile birleştirmektedir. Sistem elektromanyetik dalgayı önce silindirik lens yardımıyla bir saçıcıya odaklayıp daha sonra yine bir silindirik lens yardımıyla paralelleştirip prizmadan geçirmekedir. Prizmadan sonra da tekrar bir silindirik lens ile CCD kameraya odaklamaktadır. Bu sayede saçının çıkışında oluşan farklı dalga boylarına bağlı farklı benek desenleri prizmadan geçerken farklı bir kırılma açısıyla kırılacakları için kamera üzerinde farklı bir alana düşmektedirler. Bu gerçeklenen spektrometrenin teorik olarak sonsuz olan serbest spektral alanını kullanılan kameranın sensör alanının genişliği ile sınırlandırmaktadır. Oluşan benek desenleri kullanılan saçıcının kalınlığı, konsantrasyonu ve homojenitesi gibi fiziksel özelliklerine bağlıdır. Bu özelliklerin yüksek bir hassasiyet ile bilinmesi mümkün olmamakla birlikte bilinse dahi oluşacak benek desenlerinin önceden hesaplanması oldukça zordur. Ayrıca sistemin tamamında oluşacak en ufak bir değişiklik (sıcaklık değişimi veya mekanik bir değişiklik) tüm hesaplamalrı değiştirecektir. Bu sebeble SEPS'in çalışma prensibi öncelikle sistemin kalibrasyonuna dayanmaktadır. Kalibrasyon aşamasında dalga boyu ayarlanabilir bir lazer ışık kaynağı kullanılarak sistemin farklı dalga boylarında oluşturduğu benek desenleri kamera ile kaydedilmektedir. Bu aşamada kaydedilen benek desenleri daha sonra sisteme girdilerin geri çatımında kullanılmaktadır. Sistem girdi olarak kalibrasyon aşamasında kullanılan dalga boylarının herhangi bir lineer kombinasyonunu geri çatabilir. Bu çalışmada kullanılan dalga boyu ayarlanabilir lazer kaynağının dalga boyu aralığı 830-850 nm arasındadır ve 10 pm adımlarla bu aralığı taramak mümkündür. Böylece sistemin çözünürlük sınırı 10 pm, serbest spektral alan sınırı ise 50 nm'dir. Sistem birden fazla saçıcı ile kalibre edilmiş ve her birininin farklı bir çözünürlük değerine sahip olduğu gözlenmiştir. Saçıcı olarak fırın kağıdı, eskiz kağıdı gibi kolay ulaşılabilir malzemelerin yanı sıra TiO2 (Titanyum Dioksit) nanoparçacıklarının epoksi içinde kurutulmasıyla üretilen saçıcılar da kullanılmıştır. Bu saçıcıların farklı kalınlık ve konsantrasyon kombinasyonları da denenmiştir. Bunun sonucunda beklendiği üzere en kalın ve en çok TiO2 yoğunluğu bulunduran saçıcılar en yüksek çözünürlük değerlerini vermişlerdir fakat bunun yanında geçirgenlikleri de fazlasıyla düştüğü için geçirgenlik ve çözünürlüğü optimize eden saçıcıyla spektrometrenin yapımına devam edilmiştir.Kullanılan saçıcı 750 um kalınlığında olup içindeki TiO2 epoksi oranı 1/12'dir. Kullanılan bu saçıcı ile 17 pm çözünürlüğe ulaşılmıştır. Spektrometrenin dinamik aralığı oluşan benek desenlerinin CCD kamera üzerinde kapladığı alanla ters orantılı olup bu alan saçıcı arkasına bir yarık konularak küçültülebilir ve bu sayede dinamik aralık arttırılabilir. Sistemde kullanılan saçıcı arkasına 50 um genişliğinde bir yarık konulmuş ve bu sayede oluşan benek deseninin kamera üzerinde kapladığı alanın genişliği de 20 piksele denk gelicek şekilde inceltilmiştir. Bunun sonucunda yatay eksende 1392 piksel bulunan CCD kamera ile 45000 dinamik aralığa ulaşılmıştır. Tasarlanan bu sistem ile yüksek çözünrülüklüö geniş serbest spektral alanlı ve ultra yüksek dinamik aralıklı bir spektrometre gerçeklenmiştir.

Özet (Çeviri)

Spectroscopy is an application which uses the interaction of matter with electromagnetic waves. This interaction is quantified as radiation intensity as a function of wavelength. A series of different methods are used to measure the distribution of wavelengths inside the electromagnetic radiation. One of these methods is the grating based spectrometer, which uses the diffraction of light to separate the different wavelength components inside the incoming electromagnetic waves. Periodic patterns of fringes are created on the imaging plane depending on the wavelength, which can be used to measure the intensity of each component by analysing the fringe intensities. Grating spectrometers have a high resolution but because fringes can overlap, its free spectral range is very limited. Prism, with its dispersive nature is also a common tool used in spectrometer design. As light passes through a prism, different wavelength components propagate in different ways, resulting in separation of different components. The separated wavelength components illuminate different parts of the detector and thus spectroscopy is achieved. Because the propagation direction of different wavelength components do not overlap, the prism has an infinite free spectral range. Speckle spectrometry has arisen as a new and promising alternative to spectral-spatial mapping, where each wavelength is mapped to a different speckle pattern on the detector rather than being mapped on different regions on the detector. Various methods exist to generate speckle patterns on the detector, which is generally a CMOS or CCD camera. One example method for speckle generation is the use of multimode fibers. As the light propagates through the fiber optic cable, the modes inside the fiber interact and interfere with each other. This in turn creates a speckle pattern at the exit of the fiber optic cable. The length and diameter of the fiber optic cable determines the properties of the speckle pattern such as its shape and size. Another example is the usage of scattering media. As a coherent light beam enters the scattering media, the coherence is disrupted by the random interactions of particles and photons. This causes the exiting incoherent light to generate a speckle pattern in the image plane. The thickness and substance of the used scattering medium affect the properties of the speckle pattern. In both cases the properties of the resulting speckle pattern also depends on the wavelength of the propagating light. Generating speckle patterns, in this way, create a 1D-to-2D mapping from the spectrum space to spatial space. Knowing the physical properties of the speckle generation pattern, this dependency can be used to detect the wavelength of the light wave by analyzing the speckle patterns. This thesis investigates the use of a scattering medium generated speckle pattern as an enhancement to a prism and realizes a spectrometer based on joint use of a prism and a scattering medium. The scattering medium is placed between two cylindrical lenses, which first focuses the light onto the scattering medium as a line, and the second one collimates the created speckle pattern onto the prism. The dispersed speckle pattern exiting the prism is then focused onto the detector – a CCD camera – with another cylindrical lens. Integrating a scattering medium and in this way speckle patterns into the system allows the prism to map every speckle pattern created by a different wavelength component to a different position in the detector. The formed speckle pattern secures a significant improvement in the resolution (up to x50 demonstrated) as opposed to the absence of the scattering medium. Since the exact physical properties of the scattering medium cannot be known precisely, a calibration step is necessary in the spectrometer application. A tunable laser is used to sweep through a wavelength interval, recording the generated speckle patterns of each single wavelength (Eigen-functions). These recorded speckle patterns are then used to reconstruct any input, which is a linear combination of the calibration patterns used by determining the weight (Eigen-values) of each speckle pattern component inside the input. With the proposed spectrometer, implemented using a simple CCD camera, a resolution of 17 pm was achieved with 750 nm wavelength range revealing a dynamic range of ~45,000. The dynamic range could be further improved upon using a detector array having larger area (to increase wavelength range) and a more scattering medium (to improve wavelength resolution). With further development, the proposed device could be useful in a variety of spectroscopy applications such as detailed delineation of retinal layers in Optical Coherence Tomography.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75726

    Design and realization of a microcontroller-controlled line over current protection relay

    Mikrodenetleyici kullanarak hat aşırı akım rölesi tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    ENGİN ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVZAT ÖZAY

  2. Tez No

    355464

    Uzaktan erişimli web tabanlı mikrodenetleyici deney seti tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Design and realization of a remote access web based microcontroller experiment kit

    RECEP GÜNAYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. RAİF BAYIR

  3. Tez No

    343461

    Diyabetik ayak takibinde termografi yöntemine dayalı bir sistem tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Design and realization of a system based on infrared thermography method to monitor a diabetic foot

    HAKAN BOZKURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mekatronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Mekatronik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURHANETTİN KORAY TUNÇALP

    DOÇ. DR. ALİ ÜMİT KESKİN

  4. Tez No

    286120

    Design and realization of a step motor driver with micro-stepping capability

    Mikro-adımlama yetenekli bir adımlı motor sürücünün tasarım ve gerçekleştirimi

    EMEL HİZAL ATEŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. MİRZAHAN HIZAL

  5. Tez No

    604455

    Design and Realization of a Single Board Computer-Based Device Generating Stimulus-Synchronized Event Codes for Evoked Potential Recording

    Uyarılmış potansiyel kaydı için uyaranla senkronize olay kodları üreten tek kartlı bilgisayar tabanlı bir aygıtın tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    ECE AYIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN ERZİN

    PROF. DR. PEKCAN UNGAN

Geri Dön