An optical metrology system for the measurement of the refractive index of glass
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2020 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/45538 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado em Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020 |
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An optical metrology system for the measurement of the refractive index of glassÍndice de RefracçãoDeslocamento LateralMetrologiaÓpticaVidroTeses de mestrado - 2020Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado integrado em Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020A medição do índice de refracção de amostras de vidro é uma actividade comum e fundamental em muitos domínios de especialidade – pode ser necessário conhecer o valor do índice de refracção de forma a melhor caracterizar o vidro para diferentes aplicações específicas. Por exemplo, o grupo VICARTE solicitou ao grupo de investigação em óptica a medição do índice de refracção de amostras, por eles feitas, de concentradores solares luminescentes. Este tipo de vidros, dopados com um material capaz de absover radiação ultravioleta pode ser aplicado como um concentradores solar – a sua eficiência está no entanto directamente ligada ao valor do índice de refracção. Apesar de ser possível efectuar medições simples com equipamento normalmente existente no laboratório, por exemplo utilizando a simples refracção, geralmente não é o suficiente, e instrumentos dedicados para este tipo de medições, com uma incerteza razoável, normalmente têm uma complexidade mais elevada. Não sendo portanto possível realizar este tipo de medições com os requisitos necessários surgiu a ideia de se tentar construir um sistema para esta finalidade. Algumas das técnicas de medição do índice de refracção, que têm sido aplicadas ao longo de décadas, podem actualmente não ser as mais viáveis ou eficientes – algumas podem não se enquadrar tão bem com equipamento disponível, podem também ser mais complexas do que o pretendido ou até mesmo serem inadequadas (relativamente ao tipo de amostras que conseguem analisar, por exemplo). Esta tese visa portanto explorar os métodos existentes, adaptando e optimizando um para ser utilizado em ambiente de laboratório com a maior precisão possível. Uma vez que a medição do índice de refracção tem vários métodos estabelecidos, o desafio centrou-se na criação de um sistema optimizado capaz de fornecer resultados com uma incerteza igual ou melhor do que 10-2 . As medições por ele efectuadas podem ter outras aplicações úteis no laboratório óptico: a verificação das propriedades de amostras testemunha (amostras de materiais e/ou revestimentos ópticos usados para testar as propriedades ou o desempenho, sem utilizar o componente real) e a determinação das propriedades de componentes ópticos (úteis para determinar um bom substituto quando a informação sobre o original não está disponível). O primeiro passo foi então fazer um estudo do estado da arte e construir modelos teóricos baseados em técnicas com potencial a implementar na medição do índice de refracção de amostras de vidro, opticamente simples e de placas paralelas. Os modelos teóricos serviram também para auxiliar na identificação dos principais parâmetros que contribuiam para o valor da incerteza associada ao valor do índice de refracção medido. A medição do índice de refracção do vidro utiliza conceitos simples em óptica e, como já foi dito, existem vários métodos para o fazer – com base na reflexão ou transmissão da luz das superfícies, entre eles o desvio do feixe de refracção, interferometria, reflectometria e elipsometria. A partir da informação recolhida, ficou claro que o sistema iria ser implementado recorrendo a um de dois métodos que asseguravam uma implementação de reduzida complexidade – através do desvio lateral (do feixe refractado) ou de uma técnica simples de interferometria. Após testar experimentalmente os dois métodos com maior potencial a implementar, de acordo com um conjunto de objectivos previamente estabelecidos, desvio lateral e interferometria, o primeiro foi seleccionado para implementar o sistema. Foi construída uma configuração e todos os parâmetros foram exaustivamente testados sendo que, através da utilização de um balanço de incerteza, a incerteza das medições foi cuidadosamente monitorizada a vários níveis – desde certificados de calibração dos componentes utilizados, passando também por estudos específicos de desempenho e modelos teóricos. Assegurando que o sistema seria capaz de fornecer resultados com a incerteza especificada, foi desenvolvido um programa de software em LabVIEW, capaz de controlar o equipamento e adquirir dados automaticamente – os dados recolhidos são exportados para um Excel personalizado que automaticamente calcula o valor do índice de refracção, sendo também calculado os valores da incerteza e erro associados. Para validar e calibrar as medições feitas pelo sistema, foram utilizadas amostras conhecidas e calibradas, pelo que apenas depois dos resultados obtidos pelo sistema estarem em conformidade com a informação fornecida, validando efectivamente o sistema, o mesmo pôde ser empregue na análise das restantes amostras disponíveis. O sistema é capaz de fornecer resultados com uma incerteza de 10-3 (amostras ópticas de média qualidade) a 10-4 (amostras de calibração, de alta qualidade). A optimização, baseada na análise rigorosa do sistema nas suas várias vertentes e respectivas incertezas associadas, permitiu obter resultados na ordem de 10-4 , uma ordem superior ao que inicialmente se esperava apenas com base no estudo do estado da arte. Algumas melhorias podem ser feitas no futuro, no entanto, o sistema está pronto para ser utilizado em ambiente de laboratório.The measurement of the refractive index of glass samples is a common and fundamental activity in numerous fields of expertise – depending on the application, other information can be linked to the value of the refractive index. As the measurement techniques have been employed over decades, some may no longer be as viable or as efficient – this thesis aims therefore to explore existing methods and to adapt and optimize one to be used in a lab environment with the highest possible accuracy. Since the measurement of the refractive index has several established methods, the challenge of this thesis focused on creating an optimized system capable of providing results with an uncertainty equal or better than 10-2 . The measurements made by it can have multiple useful application in the optics lab: the verification of witness sample or coatings properties and the determination of optical component properties (useful to determine a good replacement when information about the original is not available). The first step was then to make a study of the state of the art and construct theoretical models based on techniques with potential to be implemented in the measurement of the refractive index of paralleled plate glass samples. The theoretical models also served to identify and study the influence of the main parameters of the technique in the uncertainty budget of the measurements. The measurement of the refractive index of glass uses simple concepts in optics and as it has been said, there are several methods to do so – based on the reflection or transmission of light from surfaces, among them refraction beam deviation, interferometry, reflectometry and ellipsometry. After experimentally testing the two methods with the most potential to be implemented, in accordance to a set previously established objectives, lateral displacement and interferometry, the first was selected to implement the system. A setup was constructed and all parameters were extensively tested and, through the use of an uncertainty budget, the uncertainty of the measurements was carefully monitored. Ensuring that the system would be able to provide results with the specified uncertainty, a software program was developed in LabVIEW, capable of controlling the equipment and acquiring data automatically – the collected data was then transposed to a custom made Excel that finds the value of the refractive index and its associated uncertainty and error were known. To validate and calibrate the measurements made by the system, known samples were used and only after obtaining favourable results were the remaining unknown samples be measured. The system is able to provide results with an uncertainty from 10-3 (medium quality optical samples) to 10-4 (high quality calibration samples). The optimization, based on the rigorous analysis of the system as a whole and its associated uncertainties, made it possible to achieve results in the range of 10-4 , one order higher than what was initially expected based on the study of the state of the art. Some improvements can be made in the future, but nonetheless, the system is ready to be employed in a lab environment.Cabral, Alexandre Pereira,1968-Repositório da Universidade de LisboaLeite, Inês Meira2020-12-22T16:35:52Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/45538TID:202599680enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:47:26Zoai:repositorio.ul.pt:10451/45538Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:57:56.643078Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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