[pt] Optomecânica, o estudo de forças induzidas pela luz sobre a matéria, teve grandes avanços nos últimos anos com diversas implicações sobre todas as ciências naturais. Pinças ópticas, por exemplo, são amplamente usadas na física, química e biologia para aprisionar nano e micropartículas com índice de refração maior do que o meio que a cerca usando, em geral, feixes Gaussianos. Generalizando essa técnica, trabalhos recentes começaram a explorar estados de ordem maior dos feixes eletromagnéticos e suas superposições para aprisionamento óptico, criando feixes com fase, modo e amplitude ajustáveis. Esses novos graus de liberdade permitem o uso de potenciais arbitrários e até mesmo forças dependentes do tempo capazes de induzir movimento controlado no objeto aprisionado. Nesse contexto de feixes estruturados, nós podemos explorar não apenas as forças atrativas entre luz e matéria, mas também as forças repulsivas que ocorrem quando o índice de refração da partícula é menor que o do meio circundante. Neste trabalho vamos explorar ambos cenários a partir da criação de feixes holográficos com um Modulador Espacial de Luz (SLM). Mais especificamente, vamos focar na implementação do feixe de foco escuro, ou feixe de garrafa, onde as partículas encontram equilíbrio em uma região sem incidência de luz. Resultados experimentais são apresentados e comparados com simulações numéricas baseadas na teoria de Lorentz-Mie e possíveis aplicações dessas pinças óticas inversas são discutidas em optomecânica e biologia. / [en] Optomechanics, the study of light-induced forces upon matter, has seen tremendous advances in recent years with broad implications to all natural sciences. Optical tweezers, for instance, are now widely used in physics, chemistry and biology to trap nano- and micro-objects with a refractive index greater than of its surrounding medium using typically Gaussian laser beams. Generalizing these techniques, recent works began to explore higher-order states of the electromagnetic field and its superpositions for optical trapping, creating beams with customized phase, mode and amplitude. These new degrees of freedom allows for optical potentials beyond the harmonic approximation, enabling virtually arbitrary potential forms and even time-dependent forces capable of inducing controlled motion on the trapped object. Within this context of structured light beams, we can explore not only the attractive forces between light and matter but the repulsive ones that arise when the particle s refractive index is smaller than that of its medium. In this work we explore both scenarios by creating holographic beams with a Spatial Light Modulator (SLM). Specifically, we focus on the implementation of the dark focus beam, or optical bottle beam, where particles may find equilibrium in a region with no incidence of light. Experimental results are presented and compared to Lorentz-Mie numerical simulations and possible applications of these inverted optical tweezers in optomechanics and biology are discussed.

[pt] As pinças ópticas tornaram-se uma ferramenta importante na pesquisa multidisciplinar, permitindo a manipulação e estudo de partículas em micro e nanoescala. Aqui, descrevemos o desenvolvimento de dois experimentos de pinça óptica no cerne da optomecânica levitada: uma pinça óptica a vácuo Gaussiana e uma pinça óptica a vácuo com luz estruturada. No experimento Gaussiano, descrevemos em detalhes sua construção e seu uso para testar características de movimento estocástico sujeito a forças efetivas não-lineares geradas através de feedback elétrico. Em seguida, passamos para a configuração de luz estruturada. Utilizando um Modulador Espacial de Luz, desenvolvemos uma pinça óptica a vácuo com a capacidade de gerar potenciais ópticos arbitrários, incluindo não-linearidades e armadilhas para múltiplas partículas. Os experimentos desenvolvidos neste trabalho abrem caminho para novos métodos de controle de movimento de partículas, forças e interações, expandindo ainda mais a caixa de ferramentas da optomecânica levitada. / [en] Optical tweezers have become an important tool in multidisciplinary research, allowing for the manipulation and study of micro- and nano-scale particles. Here, we describe the development of two optical tweezer experiments at the heart of levitated optomechanics: a Gaussian and a structured light vacuum optical tweezer. In the Gaussian experiment, we describe in detail its construction and its use to test features of stochastic motion subject to nonlinear effective forces generated via electric feedback. Next, we move to the structured light setup. Using a Spatial Light Modulator, we develop a vacuum optical tweezer with the capability of engineering arbitrary optical landscapes, including non-linearities and multi-particle traps. The experiments developed in this work pave the way to novel methods for controlling particle motion, forces and interactions, further extending the levitated optomechanics toolbox.

[pt] Há uma crescente demanda pela criação de modelos computacionais representativos de objetos reais para projetos de engenharia. Uma alternativa barata e eficaz consiste na utilização de técnicas de Visão Computacional baseada em câmeras e projetores disponíveis no mercado de computadores pessoais. Este trabalho avalia um sistema óptico estéreo ativo para capturar formas geométricas de objetos utilizando um par de câmeras e um projetor digital. O sistema se baseia em idéias de trabalhos anteriores, com duas contribuições nesta dissertação. A primeira é uma técnica mais robusta de detecção de pontos notáveis em padrões de calibração das câmeras. A segunda contribuição consiste num novo método de ajuste de cilindros que visa aplicar o sistema estudado na inspeção de instalações de dutos industriais. As conclusões apresentadas procuram avaliar a robustez e precisão do sistema proposto como um instrumento de medidas em Engenharia. / [en] There has been a growing demand for creation of computer models based on real models for engineering projects. A cheap and effective alternative consists in using Computer Vision techniques based on cameras and projectors available at the personal computer market. This work evaluates a stereo optic system for capturing geometric shapes from objects using a pair of cameras and a single digital projector. The system is based on former works and a pair of contributions is obtained at this dissertation. The first contribution is a more robust technique for finding corners and points at cameras calibration patterns. And the second one consists on a new method for cylinder fit for inspecting industrial piping facilities with the studied system. The final conclusions evaluate the robustness and precision from the proposed system as a measurement tool for Engineering.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-02T14:44:36Z No. of bitstreams: 1 rogercorreiapinheirosilva.pdf: 22838442 bytes, checksum: 0bd115f462fc7572058a542e9ed91fcc (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:52:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rogercorreiapinheirosilva.pdf: 22838442 bytes, checksum: 0bd115f462fc7572058a542e9ed91fcc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:52:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rogercorreiapinheirosilva.pdf: 22838442 bytes, checksum: 0bd115f462fc7572058a542e9ed91fcc (MD5) Previous issue date: 2011-08-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Um sistema câmera-projetor é capaz de capturar informação geométrica tridimensional de objetos e ambientes do mundo real. A captura de geometria em tal sistema baseia-se na projeção de luz estruturada sobre um objeto através do projetor, e na captura da cena modulada através da câmera. Com o sistema previamente calibrado, a deformação da luz projetada causada pelo objeto fornece a informação necessária para reconstruir a geometria do mesmo por meio de triangulação. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um digitalizador câmera-projetor de alta definição (com resoluções de até 1920x1080 e 1280x720); são detalhadas as etapas e processos que conduzem à reconstrução de geometria, como calibração câmera-projetor, calibração de cores, processamento da imagem capturada e triangulação. O digitalizador desenvolvido utiliza a codificação de luz estruturada (b; s)-BCSL, que emprega a projeção de uma sequência de faixas verticais coloridas sobre a cena. Este esquema de codificação flexível oferece um número variado de faixas para projeção: quanto maior o número de faixas, mais detalhada a geometria capturada. Um dos objetivos deste trabalho é estimar o número limite de faixas (b,s)-BCSL possível dentro das resoluções atuais de vídeo de alta definição. Este número limite é aquele que provê reconstrução densa da geometria alvo, e ao mesmo tempo possui baixo nível de erro. Para avaliar a geometria reconstruída pelo digitalizador para os diversos números de faixas, é proposto um protocolo para avaliação de erro. O protocolo desenvolvido utiliza planos como objetos para mensurar a qualidade de reconstrução geométrica. A partir da nuvem de pontos gerada pelo digitalizador, a equação do plano para a mesma é estimada por meio de mínimos quadrados. Para um número fixo de faixas, são feitas cinco digitalizações independentes do plano: cada digitalização leva a uma equação; também é computado o plano médio, estimado a partir da união das cinco nuvens de pontos. Uma métrica de distância no espaço projetivo é usada para avaliar a precisão e a acurácia de cada número de faixas projetados. Além da avaliação quantitativa, a geometria de vários objetos é apresentada para uma avaliação qualitativa. Os resultados demonstram que a quantidade de faixas limite para vídeos de alta resolução permite uma grande densidade de pontos mesmo em superfícies com alta variação de cores. / A camera-projector system is capable of capturing three-dimensional geometric information of objects and real-world environments. The capture of geometry in such system is based on the projection of structured light over an object by the projector, and the capture of the modulated scene through the camera. With a calibrated system, the deformation of the projected light caused by the object provides the information needed to reconstruct its geometry through triangulation. The present work describes the development of a high definition camera-projector system (with resolutions up to 1920x1080 and 1280x720). The steps and processes that lead to the reconstruction of geometry, such as camera-projector calibration, color calibration, image processing and triangulation, are detailed. The developed scanner uses the (b; s)-BCSL structured light coding, which employs the projection of a sequence of colored vertical stripes on the scene. This coding scheme offers a flexible number of stripes for projection: the higher the number of stripes, more detailed is the captured geometry. One of the objectives of this work is to estimate the limit number of (b; s)-BCSL stripes possible within the current resolutions of high definition video. This limit number is the one that provides dense geometry reconstruction, and at the same has low error. To evaluate the geometry reconstructed by the scanner for a different number of stripes, we propose a protocol for error measurement. The developed protocol uses planes as objects to measure the quality of geometric reconstruction. From the point cloud generated by the scanner, the equation for the same plane is estimated by least squares. For a fixed number of stripes, five independent scans are made for the plane: each scan leads to one equation; the median plane, estimated from the union of the five clouds of points, is also computed. A distance metric in the projective space is used to evaluate the precision and the accuracy of each number of projected stripes. In addition to the quantitative evaluation, the geometry of many objects are presented for qualitative evaluation. The results show that the limit number of stripes for high resolution video allows high density of points even on surfaces with high color variation.