Lasereihin perustuva laitteisto optisten ilmaisimien ja materiaalien karakterisointiin

Abstract

Optisia ilmaisimia käytetään monissa sovelluksissa kuvantamislaitteista, turvajärjestelmistä sekä konenäkösovelluksista merkinanto- ja tiedonsiirtojärjestelmiin. Spektrinen tehoherkkyys ja spatiaalivaste ovat ratkaisevan tärkeitä parametreja optisten ilmaisimien karakterisoinnissa. Tässä työssä on suunniteltu ja toteutettu lasereihin perustuva laitteisto kyseisiä mittauksia varten. Mittauslaitteisto ohjaa stabiilin, kollimoidun ja halkaisijaltaan kapean lasersäteen näytepidikkeelle, joka on asennettu korkearesoluutioiselle XY-siirtimelle. Ilmaisimia voidaan vaihtaa keskenään absoluuttisen tehoherkkyyden kalibroimiseksi, tai niiden spatiaalivasteet voidaan skannata. Mittauslaitteistolla voidaan myös karakterisoida materiaalien optisia ominaisuuksia, kuten kellastumista, mittaamalla niiden transmittanssit.

Laitteiston suorituskyky karakterisoitiin mittaamalla lasersäteen laatua. Mittausten perusteella laitteiston lasersäteen 8 h stabiilisuuden suhteellinen keskihajonta oli 0.01 % käytettäessä tehosäädintä. Stabiloidun lasersäteen tarkkailu erillisellä ilmaisimella laski suhteellisen keskihajonnan alle 0.007 %:iin. Lisäksi laitteistossa käytetyn spatiaalisuodattimen todettiin tasoittavan lasersäteen profiilia, etenkin diodilaseria käytettäessä.

Kehitetty laitteisto parantaa MIKES-Aalto Mittaustekniikassa suoritettavien peräkkäisten vuotuisten ilmaisinkalibrointien tarkkuutta ja toistettavuutta. Laitteisto mahdollistaa spatiaalivasteen rutiiniskannauksen kalibroinnin yhteydessä; sillä voidaan tarkistaa esimerkiksi ilmaisimen kunto. Materiaalitieteen alalla ultravioletti (UV) spektrografin ja kehitetyn mittauslaitteiston yhdistelmä mahdollistaa uuden menetelmän tutkia UV-säteilyn aiheuttamaa materiaalien hajoamista alle 2 nm resoluutiolla, mikä on merkittävä parannus aiempiin menetelmiin verrattuna.

Optical detectors are used in various applications ranging from imaging devices, security systems, and robotic vision, to signaling and transmission systems. Spectral power responsivity and spatial uniformity are crucial parameters for characterizing detectors. In this thesis, a multi-wavelength setup based on lasers has been designed and constructed for these measurements. The setup directs a stable, collimated laser beam with a narrow beam diameter to a sample holder unit mounted on a high-resolution XY translation stage. Detectors can be interchanged to calibrate absolute power responsivities, or they can be scanned to obtain spatial uniformities. The measurement setup can also be used to characterize optical properties of materials, such as photoyellowing, by measuring their transmittances.

The performance of the setup was characterized by measuring the quality of the laser beam. Based on the measurements, the 8 h stability of the laser when using the laser power controller had a relative standard deviation of 0.01 %. By monitoring the stabilized beam with a monitor detector, the relative standard deviation decreased below 0.007 %. The spatial filter used in the setup was verified to smooth the beam profile, especially with diode lasers.

The setup developed improves the accuracy and repeatability of consecutive annual detector calibrations in the Metrology Research Institute. The setup enables routine scanning of the spatial uniformity in pursuance of the calibration; it can be used, e.g., to check the condition of the detector. In the material science, a combination of the ultraviolet (UV) spectrograph and the measurement setup developed enables a novel method for studying the UV radiation-induced degradation of materials with a resolution smaller than 2 nm, which is a significant improvement for earlier methods.