Συσκευή μικροσκοπίας λεπτών διάφανων επιφανειών με περιοδικές μικροδομές, με χρήση περίθλασης laser

Περίχαρος, Φώτιος-Κωνσταντίνος; Pericharos, Fotios-Konstantinos

dc.contributor.author	Περίχαρος, Φώτιος-Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Pericharos, Fotios-Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2025-11-26T07:42:10Z
dc.date.available	2025-11-26T07:42:10Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62936
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30632
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Διάφανα αγώγιμα φιλμ	el
dc.subject	Δισδιάστατος μετασχηματισμός Fourier	el
dc.subject	Αλγόριθμοι Fienup	el
dc.subject	Μικροσκοπία περίθλασης laser	el
dc.subject	Transparent Conductive Films (TCF)	en
dc.subject	Περίθλαση μακρινού πεδίου	el
dc.subject	Fienup Algorithms	en
dc.subject	2D Fourier Transform	en
dc.subject	Laser Diffraction Microscopy	en
dc.subject	Far-Field Diffraction	en
dc.title	Συσκευή μικροσκοπίας λεπτών διάφανων επιφανειών με περιοδικές μικροδομές, με χρήση περίθλασης laser	el
dc.title	Microscopy Device for thin transparent surfaces with periodic microstructures, using laser diffraction	en
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μικροσκοπία περίθλασης laser	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06-30
heal.abstract	Τα διάφανα αγώγιμα φιλμ (Transparent Conductive Films - TCF) είναι λεπτές διάφανες επιφάνειες με συγκεκριμένη μικροδομή, τυχαία ή περιοδική. Η διαφάνειά τους οφείλεται στις διαστάσεις της μικροδομής τους, οι οποίες είναι αρκετά μικρές, ώστε να είναι σχεδόν διάφανες στο οπτικό πεδίο. Ακόμη, η μία διάσταση των υλικών αυτών είναι σημαντικά μικρότερη από τις άλλες δύο, καθιστώντας τα λεπτά φιλμ . Συγχρόνως, η μικροδομή των TCF κατασκευάζεται συνήθως από υλικά, όπως οξείδια Ινδίου-Κασσιτέρου, χάλκινα και ασημένια νανοκαλώδια ή πλέγματα, κ.α, προσδίδοντάς τους ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο συνδυασμός των παραπάνω ιδιοτήτων τα καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογές σε σύγχρονα ηλεκτρονικά, όπως στις οθόνες αφής, τα φωτοβολταϊκά πάνελ και τα wearables. Η μικροδομή τους μπορεί, υπό κατάλληλες συνθήκες, να προκαλέσει περίθλαση μακρινού πεδίου, όταν τα υλικά διαπερνώνται από μονοχρωματικό φως, όπως αυτό ενός laser. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η παρατηρούμενη αποτύπωση της περίθλασης αντιστοιχεί στο τετράγωνο του μέτρου του δισδιάστατου μετασχηματισμού Fourier της μικροδομής του υλικού. Η αντίστροφη διαδικασία, λοιπόν, μπορεί να αποτελέσει μια δόκιμη διαδικασία εναλλακτικής μικροσκοπίας των υλικών αυτών. Η παρούσα εργασία αποτελεί μια πλήρη μελέτη της προσπάθειας ανακατασκευής της μικροδομής ενός TCF με περιοδική μικροδομή, από φωτογραφίες περίθλασης laser του υλικού. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 3, αναπτύχθηκαν ιδεατά μοντέλα μικροδομής του υλικού και υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες περιθλάσεις στο μακρινό πεδίο. Σε αυτές τις συνθήκες προσομοίωσης, κατέστη εφικτή η δοκιμή και αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων μεθόδων, όπως αλγορίθμων ανάκτησης φάσης (Fienup, Hybrid Input-Output, Error Reduction, Shrinkwrap), με χρήση μετρικών όπως η SSIM και η ομοιότητα κατανομής ιδιαζουσών τιμών (SVD Similarity). Ταυτόχρονα, έγινε εξαγωγή παραμέτρων της μικροδομής του υλικού, μέσα από τις υπολογισμένες περιθλάσεις. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 4, αναπτύχθηκε συσκευή χαμηλού κόστους για την πρακτική και ασφαλή λήψη πειραματικών φωτογραφιών περίθλασης laser των δειγμάτων, καθώς και διενεργήθηκε χαρακτηρισμός των διαστάσεων της μικροδομής των υλικών, από τις παρατηρούμενες αποτυπώσεις περίθλασης. Στο Κεφάλαιο 5, κατόπιν, αναλύθηκαν οι ληφθείσες φωτογραφίες και έγινε προσπάθεια ανακατασκευής. Η προεπεξεργασία (κατωφλίωση, μείωση ανάλυσης, περικοπή) των εικόνων της συσκευής κρίθηκε αναγκαία πριν την εφαρμογή των αλγορίθμων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι βασικά χαρακτηριστικά της μικροδομής των υλικών μπορούν να ανακτηθούν με ικανοποιητική ακρίβεια, παρότι περιορίζονται από θόρυβο και οπτικές ανωμαλίες. Η εν λόγω εργασία υπογραμμίζει τις προοπτικές και τις προκλήσεις της ανάκτησης φάσης από μία μόνο μέτρηση έντασης περίθλασης. Προτείνει, επίσης, ένα λειτουργικό πλαίσιο αξιοποίησης οπτικών μεθόδων, εργαλείων επεξεργασίας εικόνων και αλγορίθμων ανάκτησης φάσης για την προσπάθεια ανακατασκευής και χαρακτηρισμού των μικροδομών των TCF, από εικόνες περίθλασης laser.	el
heal.abstract	Abstract Transparent Conductive Films (TCF) are thin transparent surfaces with specific microstructures, either random or periodic. Their transparency lies in the dimensions of their microstructure, which are small enough to be nearly transparent in the optical range. Additionally, one of the materials’ dimensions is significantly smaller than the other two, rendering them thin films. Furthermore, TCF microstructures usually consist of materials such as Indium Tin oxide, copper and silver nanowires or meshes, etc., granting them electrical conductivity. The combination of the above properties make TCF particularly attractive for applications in modern electronics, such as touchscreens, solar panels and wearables. Under suitable conditions, the microstructure of TCF can induce far-field diffraction, when illuminated by monochromatic light, such as that of a laser. In such cases, the observed diffraction pattern corresponds to the square of the amplitude of the two-dimensional Fourier transform of the material’s microstructure. Thus, the inverse process offers a promising alternative microscopy approach for these materials. This thesis presents a comprehensive study on reconstructing the microstructure of a TCF with a periodic microstructure, using laser diffraction photographs of the material. Initially, in Chapter 3, idealized models of the material’s microstructure were developed, and the corresponding far-field diffraction patterns were computed. These controlled conditions enabled the testing and evaluation of various phase retrieval algorithms (Fienup, Hybrid Input-Output, Error Reduction, Shrinkwrap), assessed using metrics such as Structural Similarity Index (SSIM) and Singular Value Decomposition (SVD) Similarity. Furthermore, parameters of the material’s microstructure were extracted from the calculated diffraction patterns. Subsequently, in Chapter 4, a custom low-cost device was developed to safely and practically acquire experimental laser diffraction photographs of real TCF samples, and characterization of the microstructure dimensions of the materials was carried out by observing the diffraction patterns. Following that, in Chapter 5, the acquired images are analyzed and reconstructed. Preprocessing (thresholding, resizing, cropping) of the device images was deemed necessary prior to applying phase retrieval algorithms. The results demonstrated that key structural features of the TCF could be recovered with satisfactory accuracy, although some fine details were lost due to noise and optical anomalies. This work highlights both the potential and the limitations of phase retrieval from a single diffraction intensity measurement. It, moreover, proposes a functional framework for utilizing optical methods, image processing tools and phase retrieval algorithms to reconstruct and characterize TCF microstructures from laser diffraction images.	en
heal.advisorName	Χριστοφόρου, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Χριστοφόρου, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Γκόνος, Ιωάννης
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	190
heal.fullTextAvailability	false