The continuous improvements of optical design tools and manufacturing technologies of free-form optical elements, allow the creation of new complex-shaped lenses that improve the performance of traditional optical systems and make possible new optical applications. The quality of fabrication of complex-shaped lenses depends on the possibility of measurement of the shape along the manufacturing process. Moreover, the measurement of the shape of fabricated lenses is a usual quality control process conducted by the manufacturing industry to ensure the quality of commercial lenses. The measurement of complex-shaped optical surfaces has been usually done with mechanical contact stylus, to get higher resolutions within the larger dynamic range required. However, stylus devices have important drawbacks as a slow measurement speed due to make a point by point measurement, and specially the risk of damage of extremely polished surfaces of the lenses due to the drag of the stylus across them. As opposed to those mechanical contact devices of measurement, there are several non destructive optical techniques like interferometry and deflectometry based on the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses, which are much faster due to make a full-field measurement in a single shot. Despite this advantage, these two techniques have a more limited dynamic range of measurement than stylus devices, which does not allow to measure most complex-shaped lenses. Therefore, solutions to extend the dynamic range of those full-field optical techniques are needed, like changing the conventional Shack-Hartmann’s array of microspheres for an array of more appropriate microlenses and the compensation of the tested lens by means of “inverse” additional optical elements to reduce its complexity. Otherwise, once an optical element has been tested, it is required to finally reconstruct its shape from the discrete data obtained in the measurement. In the lenses’ field, the modal Zernike representation is commonly used to reconstruct the shape. However, to describe complex shapes with steep local changes, zonal representations fit better. Among them, it must be mentioned the B-Spline representation, which is used by the ophthalmic lenses’ manufacturers in the design and modelling of complex progressive surfaces of lenses of this type. The current thesis describes various optical solutions to measure and represent the shape of commercial complex-shaped lenses, particularly applied to progressive addition lenses personalized to the user. The developed solutions are: - It is implemented the B-Spline cubic representation to reconstruct complex wavefronts and get direct information of their local amplitudes, by means of fitting the local wavefront slopes that output from a Shack-Hartmann wavefront sensor. It is compared the fitting quality of B-Spline and circular Zernike representations in a set of simulated wavefronts of different complexity. To quantify the fitting quality in similar conditions as experimentally, two complementary parameters which account for the differences between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront with added noise (fitting RMS error) and between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront without noise (wavefront RMS error) are used. The fitting quality is analyzed in terms of the degree of Zernike polynomial and in terms of the number of subzones that divides the whole wavefront domain (breakpoints) for the B-Spline representation. - It is developed a Shack-Hartmann wavefront sensor based on a cylindrical microlens array and a proprietary algorithm that processes the line patterns detected, to extend the dynamic range of the conventional Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. After making a conceptual design of the sensor and evaluating the performance of various configurations in terms of the measurement field, spatial resolution, vertical resolution and dynamic range by means of a proprietary ray trace program, two wavefront sensors are built: a first sensor with an unique array of microcylinders placed in a rotary mount that allows positioning the microcylinders in horizontal and vertical directions, and a second more evolved sensor with two equal arrays of microcylinders placed in horizontal and vertical directions, which reaches the same measurement speed as the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. The sensor is applied to characterize by transmission a set of three different prescriptions commercial progressive addition lenses with designs customized to wearers that move their eyes, their head, and half the eyes and the head when doing a visual task. From the characterization process, the spatially resolved aberrations, the iso-power maps, the iso-cylinder maps and the cylinders’ axis maps of the lenses are obtained. - It is designed and built an active optics system to compensate the wavefront transmitted by complex-shaped lenses. As the active device to make the wavefront compensation, it is used a commercial phase-only modulator based on a parallel-aligned liquid crystal, which has the advantages of a high spatial resolution and an accurate response in open-loop mode. The response is characterized experimentally. As opposed to the abovementioned advantages, the phase modulator has the lack of decreasing its diffraction efficiency as increases the amplitude of the modulated phase. This means that non phase-modulated light, which corresponds to the zero order of diffraction that outputs from the modulator, is superimposed to phase-modulated light of interest. To solve this problem, a pinhole spatial filter that blocks the zero order diffraction light is implemented in the system. The active optics system is proposed as a dynamic null-test to make the quality control of complex-shaped lenses with a reduced cost in time and money over the traditional static null-tests. As a demonstration of the application, an active null-test of a commercial progressive addition lens personalized to the user with distance null power and two dioptres of addition is successfully made. / Las continuas mejoras en las herramientas de diseño óptico y en las tecnologías de fabricación de formas arbitrarias (free-form) de elementos ópticos, permiten el desarrollo de nuevas lentes de formas más complejas, posibilitando nuevas aplicaciones ópticas y mejorando las prestaciones de los sistemas ópticos clásicos. Para la fabricación precisa de lentes de formas complejas es determinante la posibilidad de medida de su forma. Asimismo, la medida final de la forma de lentes fabricadas es un proceso habitual de control de calidad llevado a cabo por la industria fabricante, para garantizar la calidad de las lentes comerciales desarrolladas. La medida de superficies ópticas con formas complejas se ha llevado a cabo, tradicionalmente, con instrumentos de medida por contacto mecánico (stylus), para garantizar buenas resoluciones de medida y abarcar el gran rango dinámico normalmente necesario. No obstante, estos sistemas presentan importantes inconvenientes como la lentitud por ser una medida punto a punto, y especialmente el riesgo de dañado de las superficies extremadamente pulidas de las lentes a causa del contacto y arrastre del stylus. Frente a estos sistemas metrológicos con contacto mecánico, diferentes técnicas no destructivas de tipo óptico como las interferométricas y el sensor Shack-Hartmann clásico de microlentes esféricas, más rápidas al medir la superficie en su conjunto, se han mostrado como buenas alternativas. Aún así, estos dos métodos tienen unos rangos dinámicos de medida más limitados que los de los stylus, lo que típicamente los incapacita para medir lentes de formas complejas. Se hace por tanto necesario desarrollar soluciones para extender el rango dinámico de medida de estas técnicas ópticas de campo completo (full-field), como pueden ser la modificación del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas por otros tipos de microlentes más apropiados y la compensación previa de la lente a medir mediante la utilización de elementos ópticos “inversos” a ella para reducir su complejidad. Por otra parte, una vez medido un determinado elemento óptico, resulta necesario reconstruir su forma a partir de las medidas discretas obtenidas. En el ámbito de las lentes, la representación modal de polinomios circulares de Zernike es la más utilizada para reconstruir la forma medida. Sin embargo, a la hora de describir formas complejas con cambios locales importantes o formas arbitrarias, las representaciones de tipo zonal resultan más efectivas. Entre ellas, cabe destacar la representación zonal de B-Splines, que es la empleada por la industria oftálmica en el diseño y modelización de las superficies progresivas complejas de lentes de este tipo. La presente tesis describe diversas soluciones ópticas de medida y representación de las características ópticas de lentes comerciales de formas complejas, con particular aplicación a lentes oftálmicas de adición progresiva personalizadas al usuario. Las soluciones desarrolladas son las siguientes: - Se implementa la representación de B-Splines cúbicos para reconstruir frentes de onda complejos y extraer informaciones locales de amplitud, mediante ajuste de las pendientes locales medibles por un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann. Se realiza un estudio comparativo de la calidad de la anterior representación y de la representación de Zernike para ajustar diferentes frentes de onda simulados de distinta complejidad, empleándose dos parámetros complementarios para cuantificar la calidad de ajuste, que son el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado con ruido (error RMS ajuste) y el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado sin ruido (error RMS frente), de manera que se extraigan conclusiones de la calidad de ajuste en condiciones similares a las experimentales. La calidad de los ajustes se analiza en función del grado del polinomio de Zernike y del número de subzonas de división del dominio del frente de onda (breakpoints) para la representación cúbica de B-Spline. - Se desarrolla un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann basado en matrices de microlentes cilíndricas que, junto con un algoritmo de procesado de los patrones de líneas detectados que también se desarrolla, extiende el rango dinámico clásico del sensor Shack-Hartmann equivalente de microlentes esféricas. Una vez realizado el diseño conceptual del sensor y evaluadas las prestaciones metrológicas (campo de medida, resolución espacial, resolución vertical y rango dinámico) de diversas configuraciones del mismo mediante un programa propio de trazado de rayos, se construyen dos sensores: un primer sensor con una única matriz de microcilindros montada sobre un soporte rotador que permite orientar los microcilindros en las direcciones horizontal y vertical, y un segundo sensor más evolucionado con dos matrices de microcilindros horizontales y verticales, que equipara la velocidad de medida con la del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas. Se aplica el sensor a la caracterización por transmisión de un conjunto de lentes comerciales de adición progresiva personalizadas para personas movedoras de ojos, movedoras de cabeza y movedoras de ojos y cabeza a partes iguales, de tres prescripciones diferentes: OD 0 Ad.2, OD -1 +1 0º Ad.2, y OD -1 +1 135º Ad.2, obteniéndose las aberraciones espacialmente resueltas de las lentes, así como también sus mapas de iso-potencia, de iso-cilindro y de orientación del cilindro. - Se diseña y construye un sistema óptico de compensación activa del frente de onda transmitido por lentes con formas complejas. Como elemento activo de compensación se utiliza un modulador de fase comercial basado en un cristal líquido de moléculas paralelas, que proporciona una modulación pura de la fase (sin modulación de intensidad), una elevada resolución espacial y una respuesta de gran calidad en bucle abierto. La caracterización de dicha respuesta se realiza experimentalmente. En contrapartida a las anteriores ventajas citadas, el modulador presenta un punto débil debido a su naturaleza difractiva, apreciable en forma de un decremento en la eficiencia de difracción para altas amplitudes de modulación de fase, que se traduce en luz parásita no modulada en fase correspondiente al orden cero de difracción que se superpone a la luz modulada en fase de interés. Como solución a este problema se implementa en el sistema un filtro espacial de tipo pinhole que bloquea la luz indeseada de orden cero. El sistema de compensación activa desarrollado se propone como null-test dinámico para el control de calidad de lentes complejas, de manera que suponga una reducción de costes económicos y en tiempo respecto a las convencionales soluciones null-test estáticas. Como demostración del mismo, se lleva a cabo el null-test activo una lente comercial progresiva personalizada con potencia nula de lejos y dos dioptrías de adición.

Submitted by Aelson Maciera (aelsoncm@terra.com.br) on 2017-08-16T20:13:36Z No. of bitstreams: 1 DissDES.pdf: 2143823 bytes, checksum: ac10374208d2c147182c161c8983ba29 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (bco.producao.intelectual@gmail.com) on 2018-01-30T16:41:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissDES.pdf: 2143823 bytes, checksum: ac10374208d2c147182c161c8983ba29 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (bco.producao.intelectual@gmail.com) on 2018-01-30T16:41:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissDES.pdf: 2143823 bytes, checksum: ac10374208d2c147182c161c8983ba29 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-30T16:46:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissDES.pdf: 2143823 bytes, checksum: ac10374208d2c147182c161c8983ba29 (MD5) Previous issue date: 2017-03-22 / Não recebi financiamento / Facing the students’ lack of motivation during Physics classes and the presence of new digital technologies that can aid and improve the teaching approach nowadays, this present work consists of proposing a methodology capable of promoting Geometric Optics learning, specifically for the Reflection theme, through the Geogebra software as a pedagogical resource. Based on the idea that computer simulations allow the development of several skills, involve concentration on the theoretical concepts and help to contextualize theory and practice, the official proposals (PCNs and Curriculum of the State of São Paulo) which aim to guide the teacher, indicating the necessary abilities that students must acquire when graduating high school were studied and investigated. A test was applied after the activities and we could verify a satisfactory result of the methodology. / Diante de um quadro de desmotivação por parte dos alunos durante as aulas de física e a presença de novas tecnologias digitais que podem auxiliar no ensino, o presente trabalho consiste em propor uma metodologia capaz de promover uma aprendizagem em Óptica Geométrica, especificamente o tema Reflexão, através do software Geogebra, como recurso pedagógico. Partindo da ideia que simulações computacionais possibilitam o desenvolvimento de várias habilidades, envolvem a concentração nos conceitos teóricos e auxiliam na contextualização entre teoria e prática, investigou-se as propostas dos documentos oficiais (PCNs e Currículo do Estado de São Paulo) que objetivam auxiliar o professor, indicando as competências e habilidades necessárias para o aluno adquirir ao ser formado na educação básica. Após as atividades, um questionário foi aplicado e a partir dele verificamos uma eficiência satisfatória da metodologia.

Submitted by André Luigi Amaral Di Salvo (andre.amaral@ifsuldeminas.edu.br) on 2018-08-16T20:49:37Z No. of bitstreams: 1 salvo_alad_dr_rcla.pdf: 9802752 bytes, checksum: 172b8278f611240bbd74d06ce473f0b6 (MD5) / Rejected by Ana Paula Santulo Custódio de Medeiros null (asantulo@rc.unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo as orientações abaixo: - Página de rosto: falta nome do orientador Agradecemos a compreensão on 2018-08-17T13:22:06Z (GMT) / Submitted by André Luigi Amaral Di Salvo (andre.amaral@ifsuldeminas.edu.br) on 2018-08-17T23:42:28Z No. of bitstreams: 1 di_salvo_lb_dr_rcla.pdf: 9807717 bytes, checksum: b8e283551078a579f75583dfbf863241 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Aparecida Puerta null (dripuerta@rc.unesp.br) on 2018-08-20T13:10:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 disalvo_ala_dr_rcla.pdf: 9290721 bytes, checksum: cac26883aa35bc0bcad10429f06c8dc0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-20T13:10:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 disalvo_ala_dr_rcla.pdf: 9290721 bytes, checksum: cac26883aa35bc0bcad10429f06c8dc0 (MD5) Previous issue date: 2018-07-03 / A educação no Século XXI passa por um grande desafio: de um lado, alunos que nasceram e cresceram imersos em um mundo de tecnologias digitais; do outro, professores que, em sua maioria, foram formados por sistemas nos quais essas tecnologias não estavam presentes, nem foram posteriormente integradas à sua formação. Tal contraponto tem provocado uma série de descontentamentos em ambos os lados. Para tentar minimizar esse problema, este trabalho apresenta um novo tipo de ferramenta digital: um jogo educacional que utiliza os preceitos de mundos virtuais, laboratórios de simulação e jogos de entretenimento, para explorar os conteúdos de óptica geométrica. A ferramenta foi concebida, construída e testada por uma equipe multidisciplinar composta por professores, pedagogos e alunos, usando-se as premissas do Design Participativo. Para testar sua eficiência, tanto no ensino regular quanto em ambientes de ensino a distância, quatro experimentos distintos foram conduzidos nas instalações do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais – Campus Inconfidentes, contando com a participação de 190 alunos pertencentes aos quatro cursos técnicos ofertados pelo campus – Agropecuária, Alimentos, Agrimensura e Informática. Os alunos foram divididos em dois grupos: controle (sem acesso ao software) e experimental (com acesso ao software). Todos foram avaliados em dois momentos distintos: pré e pós-teste. Os dados coletados durante o período de intervenção foram submetidos a análises estatísticas descritivas e inferenciais. Os resultados indicam que os alunos que tiveram acesso ao software apresentaram ganhos significativos de média, fato este não observado no grupo que não teve acesso. Além dessa análise, o software foi submetido à escala EGameFlow, que avaliou a presença de uma série de características necessárias a um jogo digital, dentre as quais imersão, concentração e motivação. Os resultados dessa análise mostraram-se também favoráveis à utilização desse tipo de ferramenta como recurso didático, com a maioria dos entrevistados indicando que ele auxilia o processo ensino/aprendizagem. / Education in the 21st century is facing a huge challenge: on one hand are the students who were born to and are growing up immersed in a technological world; on the other are teachers formed by systems in which technology was not present, nor was it integrated to their formation later on. Such counterpoint has been the cause of much discontentment on both sides. As an attempt to minimize the problem, this work presents a new type on digital tool: an educational game that utilizes the precepts of virtual worlds, simulation laboratories and leisure games, to explore contents of Geometric Optics, in order to enhance the teaching-learning process. This tool was conceived, constructed and tested by a multi-disciplinary team consisting of teachers, pedagogues, and students, under the Participative Design approach. Four experiments were carried out in order to test its efficiency, both in traditional and distance learning environments, using the facilities at the Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais – Campus Inconfidentes. 190 students from all of the four technical courses offered in the campus – Farming, Food Processing, Land Mapping e Informatics - agreed to attend the experiment. They were separated into two groups: a control group (without access to the software), and an experimental group (with full access to the software). All the students were evaluated in two distinct moments: prior to test and post-test. Data collected during intervention were submitted to statistical descriptive inferential analyses, and the results indicate that the students who had full access to the software averaged significantly higher, as compared to the other group. Besides the tests for efficiency in the teaching-learning process, the software was also evaluated using the EGameFlow scale as for the required features for a digital game, among which are immersion, concentration and motivation. The results were also favorable in respect to the utilization of this type of tool as a didactic resource, with the majority of those surveyed pointing out that it does enhance the teaching-learning process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Educação Científica e Tecnológica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:54:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 341138.pdf: 3698476 bytes, checksum: ed3cf11097436959cb87f06dcf9620b2 (MD5) Previous issue date: 2016 / A inclusão de recursos computacionais na educação pode propiciar uma adequação do material didático ao nível de conhecimento dos estudantes e às individualidades de aprendizagem. Nessa perspectiva, os Sistemas Tutores Inteligentes (STI) são excelentes candidatos, pois permitem tratar os alunos de forma individualizada e flexível. Apesar dos avanços obtidos no campo da ciência da computação, ainda são pouco conhecidos no ensino de ciências no Brasil. É apresentada uma reflexão da Teoria da Carga Cognitiva (TCC), que pode instruir muitos dos processos educacionais, e, seus efeitos são analisados minuciosamente. A multidisciplinaridade do processo de aprendizagem, apoiado em uma moderna teoria da cognição humana, a TCC, embasam esta proposta de arquitetura para um STI e de sua aplicabilidade no ensino de ciências, escolhendo como tema a Óptica Geométrica, para demonstrar sua aplicabilidade e como é promissora.<br> / Abstract : The inclusion of computational resources in education can provide an adaptation of the teaching materials to the level of students' knowledge and learning individuals. From this perspective, the Intelligent Tutoring Systems (ITS) are excellent candidates as they allow treating students individually and flexibly. Despite the advances made in the field of computer science, they are still little known in science teaching in Brazil. It is presented a reflection of Cognitive Load Theory (CLT), which can instruct many of the educational process, and its effects are analyzed thoroughly. The multidisciplinary approach of the learning process, supported by a modern theory of human cognition, CLT, underlie this proposed architecture for an STI and its applicability in the teaching of science, choosing as its theme the Geometrical Optics, to demonstrate its applicability and how its promising.

Este trabalho é uma contribuição às análises de forças de aprisionamento óptico exercidas sobre partículas esféricas por superposições discretas de feixes de Bessel. Um estudo teórico-numérico foi realizado no regime de óptica geométrica, completando as pesquisas já realizadas com tais feixes e no caso escalar, tanto no regime de Rayleigh quanto através de um formalismo eletromagnético completo. Investigam-se padrões longitudinais de intensidade de possível interesse prático, com potenciais de fornecer múltiplas armadilhas ópticas simultâneas utilizando dois métodos de análise. O primeiro parte da observação de que no regime paraxial todos os raios associados aos feixes se encontram quase paralelos entre si quando se toma como aproximação uma superposição de raios paralelos que incidem completamente sobre um hemisfério do espalhador. Tal método, entretanto, é naturalmente restrito pelas forças transversais. O segundo, que torna mais confiáveis e precisas as predições acerca da componente longitudinal de força, adota procedimentos mais robustos que levam em consideração tanto a contribuição da pressão de radiação (força de espalhamento) quanto a força gradiente devido a gradientes locais de intensidade associados a raios não-paralelos. Assim, acredita-se que este trabalho traz como contribuição um reforço a esta classe específica e promissora de feixes não difrativos como feixes de luz interessantes para aplicações em aprisionamento e micromanipulação óptica. / This work is a contribution to the analyses of optical trapping forces exerted on spherical particles by discrete superpositions of Bessel beams. A theoretical-numerical study has been carried out in the ray optics regime, completing the pre-existing research performed with such beams, in the scalar case, both in the Rayleigh regime and through a complete electromagnetic formalism. We investigate longitudinal intensity patterns of possible practical interest with potential to provide multiple simultaneous optical traps, by using two methods of analysis. The first assumes that, in the paraxial regime, all rays associated to the beams are almost parallel to each other, taking a superposition of parallel rays that are completely incident on a hemisphere of the scatterer as a suitable approximation. Such a method, however, is naturally constrained by the transverse forces. The second one, which makes the predictions about the longitudinal force component more reliable and accurate, adopts more robust procedures that take into consideration the contribution of the radiation pressure (scattering force) as well as the gradient force due to local intensity gradients associated to non-parallel rays. Thus it is hoped that this work will contribute to reinforce this specific and promising class of non-diffractive beams as interesting light beams for applications in optical trapping and micromanipulation.

Este trabalho é uma contribuição às análises de forças de aprisionamento óptico exercidas sobre partículas esféricas por superposições discretas de feixes de Bessel. Um estudo teórico-numérico foi realizado no regime de óptica geométrica, completando as pesquisas já realizadas com tais feixes e no caso escalar, tanto no regime de Rayleigh quanto através de um formalismo eletromagnético completo. Investigam-se padrões longitudinais de intensidade de possível interesse prático, com potenciais de fornecer múltiplas armadilhas ópticas simultâneas utilizando dois métodos de análise. O primeiro parte da observação de que no regime paraxial todos os raios associados aos feixes se encontram quase paralelos entre si quando se toma como aproximação uma superposição de raios paralelos que incidem completamente sobre um hemisfério do espalhador. Tal método, entretanto, é naturalmente restrito pelas forças transversais. O segundo, que torna mais confiáveis e precisas as predições acerca da componente longitudinal de força, adota procedimentos mais robustos que levam em consideração tanto a contribuição da pressão de radiação (força de espalhamento) quanto a força gradiente devido a gradientes locais de intensidade associados a raios não-paralelos. Assim, acredita-se que este trabalho traz como contribuição um reforço a esta classe específica e promissora de feixes não difrativos como feixes de luz interessantes para aplicações em aprisionamento e micromanipulação óptica. / This work is a contribution to the analyses of optical trapping forces exerted on spherical particles by discrete superpositions of Bessel beams. A theoretical-numerical study has been carried out in the ray optics regime, completing the pre-existing research performed with such beams, in the scalar case, both in the Rayleigh regime and through a complete electromagnetic formalism. We investigate longitudinal intensity patterns of possible practical interest with potential to provide multiple simultaneous optical traps, by using two methods of analysis. The first assumes that, in the paraxial regime, all rays associated to the beams are almost parallel to each other, taking a superposition of parallel rays that are completely incident on a hemisphere of the scatterer as a suitable approximation. Such a method, however, is naturally constrained by the transverse forces. The second one, which makes the predictions about the longitudinal force component more reliable and accurate, adopts more robust procedures that take into consideration the contribution of the radiation pressure (scattering force) as well as the gradient force due to local intensity gradients associated to non-parallel rays. Thus it is hoped that this work will contribute to reinforce this specific and promising class of non-diffractive beams as interesting light beams for applications in optical trapping and micromanipulation.

Submitted by Larissa Vitoria Cardoso Cusielo (larissavitoria@id.uff.br) on 2017-09-05T17:46:23Z No. of bitstreams: 3 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Robson Torrez Diniz - Dissertação completa versão final.pdf: 3357742 bytes, checksum: 22cf96d445d78898c79f7231e10ebea2 (MD5) PRODUTO VERSÃO FINAL PDF - ROBSON TORRES DINIZ.pdf: 541891 bytes, checksum: 14439f8630e371d9c9aea577fc222c52 (MD5) / Rejected by Biblioteca do Aterrado BAVR (bavr@ndc.uff.br), reason: Titulo em caixa alto on 2017-09-05T19:17:32Z (GMT) / Submitted by Larissa Vitoria Cardoso Cusielo (larissavitoria@id.uff.br) on 2017-09-05T19:38:14Z No. of bitstreams: 3 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Robson Torrez Diniz - Dissertação completa versão final.pdf: 3357742 bytes, checksum: 22cf96d445d78898c79f7231e10ebea2 (MD5) PRODUTO VERSÃO FINAL PDF - ROBSON TORRES DINIZ.pdf: 541891 bytes, checksum: 14439f8630e371d9c9aea577fc222c52 (MD5) / Approved for entry into archive by Biblioteca do Aterrado BAVR (bavr@ndc.uff.br) on 2017-09-27T20:11:28Z (GMT) No. of bitstreams: 3 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Robson Torrez Diniz - Dissertação completa versão final.pdf: 3357742 bytes, checksum: 22cf96d445d78898c79f7231e10ebea2 (MD5) PRODUTO VERSÃO FINAL PDF - ROBSON TORRES DINIZ.pdf: 541891 bytes, checksum: 14439f8630e371d9c9aea577fc222c52 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-27T20:11:28Z (GMT). No. of bitstreams: 3 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Robson Torrez Diniz - Dissertação completa versão final.pdf: 3357742 bytes, checksum: 22cf96d445d78898c79f7231e10ebea2 (MD5) PRODUTO VERSÃO FINAL PDF - ROBSON TORRES DINIZ.pdf: 541891 bytes, checksum: 14439f8630e371d9c9aea577fc222c52 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física. Volta Redonda, RJ. / Com o intuito de contribuir para a melhoria do ensino de óptica no ensino médio, este trabalho propõe uma abordagem de ensino potencialmente significativo com uso de experimentação. O objetivo principal do trabalho é apresentar um experimento sobre óptica geométrica, que será introduzido na sala de aula como base da metodologia de ensino. O experimento é constituído de uma base de madeira e uma folha de papel A3 plastificada que servirá de banco óptico para as práticas, além de uma fonte de luz, um espelho plano e um espelho esférico. A proposta do trabalho é fazer com que os alunos possam através de práticas experimentais identificar os principais conceitos relacionados a óptica geométrica. O experimento tem como meta trazer a visualização dos fenômenos relacionados a este assunto e conecta-los com a teoria abordada nas aulas teóricas. Os conceitos serão apresentados experimentalmente em três aulas assim divididas: 1ª Aula – Reflexão da Luz, 2ª Aula – Espelhos Planos e 3ª Aula – Espelhos Esféricos. Desta forma, teremos abordado os assuntos que se relacionam e dependem do conceito de reflexão da luz, tendo então a intenção de facilitar e potencializar o aprendizado dos conceitos teóricos já vistos em sala de aula a fim de propiciar uma aprendizagem potencialmente significativa. Como produto associado a esta Dissertação elaboramos um documento a parte, que poderá ser usado por docentes do ensino médio, a fim de aplicar essa proposta em sala de aula. / In order to contribute to improving the teaching of optics in high school, this dissertation proposes an approach with the use of potentially meaningful teaching with experimentation. The main objective of the study is to present an experiment on geometric optics, which will be introduced in the classroom as basics of the teaching methodology. The experimental apparatus consists of a wooden base and a laminated A3 sheet of paper that will serve as the optical bench to the practical as well as a light source, a plane mirror and a spherical mirror. The purpose of this study is to make students through experimental practices to identify the main concepts related to geometric optics, using mainly light reflection. The experiment aims to allow to visualize the related phenomena to this topic and related them to the theoretical. The concepts will be experimentally presented in three classes divided as follows: 1 st class – Reflection of light, 2 st class – Mirrors Plans and 3 st class – Spherical Mirrors. Thus, we have addressed the issues that relate to and depend on the theoretical concepts discussed in the classrooms to facilitate and enhance learning. As a product of this dissertation, an extra document was prepared so that it can be used for teachers of high school.

En esta tesis se presenta un método para analizar antenas montadas sobre estructuras arbitrarias. La Optica Geométrica (GO) y la Teoría Uniforme de la difraccion (UTD), han sidoempleadas para analizar los efectos que la estructura produce sobre el diagrama de radiación de la antena emisora. Para la descripción geométrica de la estructura, han sido utilizados parches NURBS (Non Uniform Rational B-Spline), por lo que el método presentado, es compatible con la mayoría de los programas gráficos disponibles en el mercado.EL tratamiento de geometrías arbitrarias requiere un código eficiente en el análisis de tres dimensiones.Por otro lado, para obtener resultados satisfactorios, la descripción de la superficie de la estructura, debe ser muy próxima al modelo real, sin embargo, esto complica el tratamiento computacional. Aquí la estructura es modelada mediante un conjunto de parches NURBS, que unidos entre sí, describen el modelo completo. Esta descripción permite manipular superficies arbitrarias con un bajo numero de parches, lo que significa un volumen de información reducido.La descripción inicial por NURBS del modelo, es acompañada con información complemetaria como por ejemplo: la tipología de las superficies, las curvas frontera, el tipo de material, etc. Esto es imprescindible para la aplicación de criterios de selección dedicados a la aceleración del proceso.El método tras leer la descripción del modelo, descompone los parches NURBS en superficies racionales de Bezier. Un parche de Bezier es también una superficie paramétrica definida en términos de una combinación lineal de los polinomios de Bernstein.Las antenas son modeladas usando modelos numéricos simples basados en agrupaciones de dipolos infinitesimales eléctricos y magnéticos. Esta caracterización de la antena es muyventajosa ya que con un numero reducido de datos de entrada, la fuente queda definida para cualquier dirección del espacio y el valor del campo radiado puede ser calculado fácilmente.El análisis electromagnético de los efectos que contribuyen al campo dispersado por la geometría comienza con una selección rigurosa de la geometría iluminada desde la fuente.Unicamente los parches de Bezier iluminados serán almacenados por el ordenador durante el análisis. La filosofía de este proceso es descartar aquella parte de la geometría que no contribuye a los efectos de dispersión.El campo total calculado es la superposición de los siguientes efectos pertenecientes a la GO y a la UTD: campo directo procedente de la fuente, campo reflejado por los parches de Bezier, campo difractado por las aristas del modelo definidas como curvas de Bezier, ondas de superficie, dobles reflexiones, reflexione-difraccion y difraccion-reflexión. El método ha sido diseñado para analizar campo cercano y lejano. El mayor gasto computacional se debe a la búsqueda de los puntos de dispersión, por lo que antes de emplear los algoritmos de intersección es necesario aplicar un conjunto de criterios rápidos dependientes de la dirección de observación.El principio de Fermat en combinación con el Gradiente Conjugado (CGM) es usado para obtener de manera eficiente los puntos de dispersión sobre la estructura. Para cada efecto, laposible ocultación de la trayectoria completa del rayo es examinada, por ello, si el rayo corta alguno de los parches de Bezier su contribución será descartada. Los dobles efectos son tratados como una generalización de los simples efectos.El método desarrollado es eficiente ya que precisa de un numero reducido de superficies para modelar objetos complejos lo que se traduce en bajos requerimientos de memoria y reducidos tiempos de calculo. / In this thesis a method to analyze antennas on board of complex bodies is presented. The Geometrical Optics (GO) and Uniform Theory of Diffraction (UTD) have been used to analyze the effect of the structure in the radiation pattern of the antennas. The bodies are geometrically modelled by using NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) surfaces. In addition to be accurate and efficient, the method is compatible with most of the modern CAGD (Computer Aided Geometric Design) available programs.The treatment of arbitrary geometries requires a code which can carry out an efficient 3D analysis. To obtain accurate results the description of the surface must be close to the real model, however this complicates the computational procedure. Here the structure is modeled by a collection of individual N.U.R.B.S. surface patches joined to form a complete description of the surface model. The NURBS description is able to manipulate free form surfaces with a low number of patches, and therefore, with a low amount of information. The initial description of the model by NURBS surfaces is accompanied with other complementary data for example : the topology of the surfaces, the boundary curves, the types of material and other inputs. It is very interesting to apply criteria to make the complete analysis faster.The method reads the NURBS description of the model and transforms the NURBS into the rational BEZIER surfaces. A rational BEZIER patch is also a parametric surface defined in terms of a linear combination of Bernstein polynomials.The antennas are modelled using simple numerical models based on arrays of electric and magnetic infinitesimal dipoles. This antenna modelization is very advantageous because with a little input data, the source is defined in any direction and the field value is readily accessible.The electromagnetic analysis of the contributive effects to the scattering field by the geometry, starts with the rigorous selection of the geometry illuminated from the source. Only the Bezier patches illuminated will be in memory of the computer during the analysis. The philosophy of this previous process is to discard in the process the part of the geometry which does not contribute to the scattering effects.The total field is the superposition of the following GO and UTD field components: direct field from the source, reflected fields from the Bezier patches of the model, diffracted fields from the arbitrary edges defined as a Bezier curves, creeping waves, double reflected field and diffracted-reflected and reflected-diffracted fields. The search of specular and diffraction points are the most CPU time consuming, thus before using the intersection algorithms it is necessary to apply a set of fast selection criteria which depend on the observation direction.The Fermat principle in conjunction with the Conjugate Gradient Method (CGM) is used for obtaining efficiently the reflection points and diffraction points on the structure. For each effect the complete ray path is examined to see whether or not it is interrupted by any Bezier patch of the model, in this case the field component is not computed. The double effects are treated using a generalization of the single effects algorithms. The method has been developed to analyze the near and far field cases for different frequencies.The developed method is quite efficient because it makes use of a small number of surfaces to model complex bodies, so it requires few memory and low computing time.

Acompanha: Ciência e arte na sala de aula e atividades / Este trabalho se propôs a repensar o ensino de alguns tópicos da óptica a partir das relações entre ciência e arte, entendidas como expressões humanas inseparáveis e instrumentos de compreensão do mundo. O referencial teórico possibilitou reflexões sobre o processo ensino-aprendizagem, sobre as relações entre Ciência a Arte como áreas do conhecimento humano construídas sócio historicamente e sobre o papel da criatividade e da imaginação no ensino de ciências. Baseando-se nestas relações, foi desenvolvida uma unidade didática alternativa para transposição de conceitos da óptica geométrica no ensino médio. A intervenção teve como concepção norteadora a pedagogia dialógico-problematizadora de Paulo Freire e se utilizou dos três momentos pedagógicos Estudo da Realidade, Organização do Conhecimento e Aplicação do Conhecimento, que são proposição dos pesquisadores J.A. Angotti e D. Delizoicov. Foi desenvolvida em três etapas e envolveu seis turmas de três colégios estaduais em Curitiba. O tema gerador foi a Arte Urbana (especialmente o grafite), presente no universo dos nossos educandos. A discussão gerada abordou o conceito de Ciência e a problematização foi feita utilizando-se a tela “An Experiment on a Bird in the Air Pump” (1766), de Joseph Wright of Derby. A estratégia de pesquisa foi do tipo observação participante e o tratamento de dados pelo método comparativo constante. Os dados foram obtidos no estilo cooperativo e a categoria geral definida para análise foi a das “Perspectivas tidas pelos sujeitos”, pois esta é consoante com a concepção freiriana de educação centrada nos sujeitos envolvidos e suas vivências. A pesquisa possibilitou concluir que são promissoras as possibilidades de incrementar o ensino de Física numa abordagem que busque reflexão sobre o papel da Ciência na construção coletiva e histórica do conhecimento, enriquecida pelas suas relações com a Arte; tanto na dimensão pedagógica quanto na acadêmica de pesquisa. / A summary of the stages of a qualitative research on Education, developed at UTFPR, Brazil, is presented. The purpose of this work is to rethink Education on some topics of Optics, on the basis of the relationship between Science and Art, which are understood here as inseparable human expressions and representations of the world. Based on this relationship, an alternative didactic unit was developed, aiming the transposition of concepts on Geometrical Optics in high school. The intervention was based on the dialogical and problem-posing approach due to Paulo Freire, and it was applied to six classes at three State high schools in Curitiba. The generative theme was Street Art, ubiquitous in the universe of students. The generated discussion involved the concept of Science and questioning was made using the painting “An Experiment on a Bird in the Air Pump”, by Joseph Wright of Derby (1766). The research strategy was participant observation, and data were processed by constant comparative method. The data were obtained from the cooperative style and the general category set for analysis was that of “Perspectives taken by subject”, since this is consonant with the Freirian conception for education centered on the involved subjects and their experiences. The research made it possible to conclude that the possibilities are promising to increase the teaching of Physics in an approach that aims to reflect on the role of science in building collective and historic knowledge, enriched by their relationships with art; both in pedagogical and academic research.

Acompanha: Ciência e arte na sala de aula e atividades / Este trabalho se propôs a repensar o ensino de alguns tópicos da óptica a partir das relações entre ciência e arte, entendidas como expressões humanas inseparáveis e instrumentos de compreensão do mundo. O referencial teórico possibilitou reflexões sobre o processo ensino-aprendizagem, sobre as relações entre Ciência a Arte como áreas do conhecimento humano construídas sócio historicamente e sobre o papel da criatividade e da imaginação no ensino de ciências. Baseando-se nestas relações, foi desenvolvida uma unidade didática alternativa para transposição de conceitos da óptica geométrica no ensino médio. A intervenção teve como concepção norteadora a pedagogia dialógico-problematizadora de Paulo Freire e se utilizou dos três momentos pedagógicos Estudo da Realidade, Organização do Conhecimento e Aplicação do Conhecimento, que são proposição dos pesquisadores J.A. Angotti e D. Delizoicov. Foi desenvolvida em três etapas e envolveu seis turmas de três colégios estaduais em Curitiba. O tema gerador foi a Arte Urbana (especialmente o grafite), presente no universo dos nossos educandos. A discussão gerada abordou o conceito de Ciência e a problematização foi feita utilizando-se a tela “An Experiment on a Bird in the Air Pump” (1766), de Joseph Wright of Derby. A estratégia de pesquisa foi do tipo observação participante e o tratamento de dados pelo método comparativo constante. Os dados foram obtidos no estilo cooperativo e a categoria geral definida para análise foi a das “Perspectivas tidas pelos sujeitos”, pois esta é consoante com a concepção freiriana de educação centrada nos sujeitos envolvidos e suas vivências. A pesquisa possibilitou concluir que são promissoras as possibilidades de incrementar o ensino de Física numa abordagem que busque reflexão sobre o papel da Ciência na construção coletiva e histórica do conhecimento, enriquecida pelas suas relações com a Arte; tanto na dimensão pedagógica quanto na acadêmica de pesquisa. / A summary of the stages of a qualitative research on Education, developed at UTFPR, Brazil, is presented. The purpose of this work is to rethink Education on some topics of Optics, on the basis of the relationship between Science and Art, which are understood here as inseparable human expressions and representations of the world. Based on this relationship, an alternative didactic unit was developed, aiming the transposition of concepts on Geometrical Optics in high school. The intervention was based on the dialogical and problem-posing approach due to Paulo Freire, and it was applied to six classes at three State high schools in Curitiba. The generative theme was Street Art, ubiquitous in the universe of students. The generated discussion involved the concept of Science and questioning was made using the painting “An Experiment on a Bird in the Air Pump”, by Joseph Wright of Derby (1766). The research strategy was participant observation, and data were processed by constant comparative method. The data were obtained from the cooperative style and the general category set for analysis was that of “Perspectives taken by subject”, since this is consonant with the Freirian conception for education centered on the involved subjects and their experiences. The research made it possible to conclude that the possibilities are promising to increase the teaching of Physics in an approach that aims to reflect on the role of science in building collective and historic knowledge, enriched by their relationships with art; both in pedagogical and academic research.