Hyperspctral imaging to monitor chemical changes in plasma treated dyed fuji-silk

The aim of this thesis project is to describe the physics and the implementation of a hyperspectral imaging (HSI) system applied to collect and study the emitted signals (reflectance and fluorescence) of fuji-silk samples dyed with indigo and treated with non-thermal Oxygen plasma for different exposure times (10, 20 and 40 minutes). The main spectral band considered is between 400 and 1000 nm, this because this region can be easily approached with Silicon-based cameras. The hyperspectral imaging system employed, exploits FT-HSI technique: this is based on a FT spectrometer that registers the interferogram between two delayed replicas of the same signal. The interferometer used it’s called TWINS and exploits the birefringence phenomenon to split the signal in two signals and then delayed them, only in this way we are able to generate two coherent replicas of the same incoming beam and so they can interfere. In the first chapter, we will analyse and describe this interferometer with its technical features; then we will present how TWINS camera must be coupled to one camera lens and a CMOS sensor to obtain the overall hyperspectral imaging system. Then we will briefly discuss reflectance and fluorescence phenomena under a physical point of view. In the second chapter, we will focus on the imaging system and its performances. We will explore better the configuration called large field of view in which the TWINS camera is coupled to one photographic objective and to the sensor. This configuration presents some advantages and disadvantages; to better understand them we will simulate the imaging system through Ansys Zemax OpticStudio simulations, this is the only way to study better its output and try to optimize it. Then we will pass to an improved configuration called MACRO imaging system: this one is given by coupling the interferometer to two camera lenses and the sensor and it’s based on the design of an ideal 4f optical system; this configuration was already implemented in reality, and we simulated it a posteriori through Zemax, trying to optimize it. The need of this improved optical system was led also by the small field of view (on the contrary of the first configuration) required by the measurements. After a brief introduction of the measurements protocol, the samples and some plasma physics hints, we applied the system described, to collect the signals emitted by the fuji-silk samples after exposing them to a lamp (for reflectance) and a Nd:YAG laser for fluorescence. The measurements then are corrected through a physical model already known in literature: Kubelka Munk correction; this allows to obtain the true emission spectra of the samples, correcting the fluorescence signal through the reflectance one. In conclusion, we present the results of the measurements and discuss if there are present (or not) signs of deterioration due to the plasma treatment on the dyed samples.

L’obiettivo di questo progetto di tesi magistrale è quello di descrivere la fisica e l’implementazione di un sistema di imaging iperspettrale (HSI) applicato allo studio dei segnali emessi, in riflettanza e fluorescenza, da campioni di seta fuji tinti con indaco e successivamente sottoposti a un processo di pulizia al plasma non termico a base di Ossigeno. I campioni sono stati sottoposti al plasma per diversi tempi di esposizione: 10,20 e 40 minuti. La banda spettrale in cui è stato condotto lo studio è tra i 400 e 1000 nm, questo perchè questa banda è facilmente studiabile con detector a base di Silicio. Il sistema HSI utlizzato in questo Progetto, sfrutta la tecnologia dell’imaging iperspettrale a base della trasformata di Fourier. Questo significa che lo spettrometro registra l’interferogramma tra due repliche (una in ritardo temporale sull’altra) dello stesso segnale. L’interferometro utilizzato si chiama TWINS e sfrutta il fenomeno della birifrangenza per dividere il fascio e generare le repliche. Questo è uno dei pochi metodi che abbiamo per generare due repliche coerenti tra loro per far sì che esse interferiscano. Nel primo capitolo, analizzeremo e descriveremo i principi di funzionamento di questo interferometro e le sue specifiche tecniche; successivamente come la camera TWINS viene accoppiata a una lente e a un sensore di tipo CMOS per ottenere il sistema di imaging iperspettrale complessivo. In un secondo momento descriveremo anche I principi fisici alla base della riflettanza e della fluorescenza. Nel secondo capitolo ci focalizzaremo sul solo sistema di imaging e le sue performance. Studieremo meglio la configurazione chiamata large field of view nella quale la camera TWINS è accoppiata a un solo obbiettivo fotografico e al sensore. Questa configurazione capiremo che presenta dei pro e dei contro; per capirli meglio presenteremo le simulazioni del sistema ottico fatte in Ansys Zemax OpticStudio, per capire meglio l’output, le prestazioni ed eventuali ottimizzazioni. Successivamente passeremo a una configurazione migliorata definita come MACRO. Quest’ultima è costituita da due obbiettivi fotografici e il mezzo a questi viene posto l’interferometro TWINS, il tutto accoppiato al sensore. Questa configurazione in relatà non ci è nuova in quanto già utilizzata nella realtà, nel nostro caso vogliamo però verificarne la robustezza e correttezza sempre tramite simulazioni Zemax. La necessità di un nuovo sistema di imaging è data dal fatto che abbiamo bisogno di ridurre il field of view e per fare le misure, la prima conifgurazione non era dunque adatta. Successivamente, dopo una breve introduzione ai protocolli di misura, ai campioni e a degli accenni di fisica del plasma, descriveremo il caso applicativo: prendendo le due configurazioni abbiamo effettuato delle acquisizioni in HSI (dopo aver esposto i campioni a un’illuminazione pertinente) della riflettanza e della fluorescenza. Dopo, per analizzare e correggere le misure, abbiamo utilizzato la teoria Kubelka-Munk, quest’ultima permette di ottenere il vero spettro di emissione dei campioni. Per ultimo, abbiamo generato delle immagini e dei grafici che ci hanno aiutato a comprendere se il trattamento al plasma possa degradare o meno i campioni di seta.