La temática presentada en este documento de tesis para optar al grado de Doctor, se desarrolla de manera tal que siga la línea de pensamiento en la que fueron estudiados los diferentes temas, sintetizando el estudio realizado de las singularidades de fase y sus propiedades, cuando son empleadas en técnicas de metrología de vórtices ópticos. Se estudian las técnicas convencionales de la metrología de vórtices para la síntesis de campos de speckle o similares al speckle, incluyendo el efecto natural de la decorrelación de los mismos para definir los rangos de aplicabilidad de estas técnicas. Posteriormente, se propone una manera alternativa de análisis para medir desplazamientos rígidos en el plano, basada en el análisis de Fourier de las singularidades de fase como marcadores de los campos de speckle, logrando expandir el rango de aplicabilidad de las técnicas de metrología de vórtices ópticos para este tipo de desplazamientos. Finalmente, se propone una manera alternativa para la generación de campos complejos mediante el uso de una nueva transformada integral lineal, generando así una herramienta matemática nueva para la síntesis de registros de intensidad, lo que permite en concreto una mejor síntesis de registros de patrones modulados con altas frecuencias. Dicha herramienta no limita su uso al ámbito de la metrología de vórtices ópticos, sino que puede ser de utilidad en diferentes aplicaciones propias del procesamiento opto-digital de la información.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Determina conceptualmente aspectos técnicos y de gestión fundamentales y necesarias para la implementación de un Laboratorio de Metrología en la magnitud de masa, en la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, empleando como referencia la norma peruana NTP–ISO/IEC 17025, con el fin de desarrollar la investigación, prestar servicio, apoyar a los diversos sectores de la sociedad como las industrias, laboratorios tanto de ensayo y de calibración, centros de investigación, salud, etc.; satisfaciendo sus necesidades metrológicas con trazabilidad al patrón nacional e internacional de medición; así poder incrementar la calidad y competitividad en la producción, contribuir al desarrollo de la ciencia, la industria y la economía. Este estudio, no solo debe resultar un documento o plan, que registre las fortalezas y debilidades de su aplicación dentro de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, sino también debe permitir establecer una sólida propuesta que permita desarrollar un proceso sostenido y efectivo en la implementación de un laboratorio de metrología en la magnitud de masa. Este trabajo, contiene aspectos que son experiencias vividas en laboratorios privados de calibración acreditados ante el organismo nacional de acreditación (INDECOPI), como por ejemplo METROIL S.A.C., PESAMATIC S.A.C., CADENT S.A.C., entre otros. En el presente trabajo, se ha logrado alcanzar el objetivo propuesto, gracias a textos, documentos pertinentes, experiencias analizadas y estudio de casos realizados. Todo ello, con el interés; de que siendo la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, una universidad representativa del país y actualmente en un proceso de acreditación universitaria, debe de contar con un laboratorio de metrología con objetivos de investigación, servicio a la industria y economía del país. / Trabajo de suficiencia profesional

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.

[EN] ENGLISH ABSTRACT OF THE THESIS TITLE: METROLOGICAL ANALYSIS ABOUT THE PERFORMED PLANIMETRY ON THE OLD KINGDOM OF VALENCIA OVER THE XVII, XVIII AND XIX CENTURIES. In this thesis, the author make a study about the used units on the Old Kingdom of Valencia, since the XVII century until mid XIX century. In order to do this, two paragraphs have been reorganized. On the first one, the author analyse metrics systems as a whole, its origin, the units, its geographical location, the measures unification attempts, the Decimal Metric System implantation in Spain and the valencian metric system. On the second paragraph, it has been performed an analysis about the relative planimetry at the Old Kingdom of Valencia on the indicated date. Therefore, the author has classified this planimetry according to its purpose, making a study about each plane metrology, resulting on the conclusion of the longitudinal and surface relations more used and its equivalence with the Decimal Metric System. (Currently ISQ, ISO31) / [ES] RESUMEN DE LA TESIS TÍTULO: ANALISIS METROLOGICO DE LA PLANIMETRIA REALIZADA EN EL ANTIGUO REINO DE VALENCIA DURANTE LOS SIGLOS XVII, XVIII Y XIX AUTOR: Vicente Rioja Castellano DIRECTOR: Guillermo Peris Fajarnés En la presente tesis se estudian que unidades se empleaban y cuáles eran las más importantes en el Antiguo Reino de Valencia, desde el siglo XVII hasta mediados del siglo XIX. Para ello, se ha estructurado en dos grandes apartados: en el primero se analizan los sistemas métricos en general, origen, unidades, localización geográfica, intentos de unificación de las medidas, implantación del Sistema Métrico Decimal en España y el sistema métrico valenciano; en el segundo apartado, se ha realizado un análisis de la planimetría relativa al Antiguo Reino de Valencia en la época señalada, clasificándola según la finalidad, estudiando la metrología de cada plano y concluyendo con la relación de las unidades longitudinales y superficiales más usadas y su equivalencia con el Sistema Métrico Decimal(actualmente ISQ, ISO31) . / [CA] RESUM DE LA TESI TÍTOL: ANÀLISI METROLÓGIC DE LA PLANIMETRIA REALITZADA EN L'ANTIC REGNE DE VALÈNCIA DURANT ELS SEGLES XVII, XVIII I XIX En la present tesi s'estudien que unitats s'empraven i quins eren les més importants en l'Antic Regne de València, des del segle XVII fins mitjan del segle XIX. Per a això, s'ha estructurat en dos grans apartats: en el primer s'analitzen els sistemes mètrics en general, origen, unitats, localització geogràfica, intents d'unificació de les mesures, implantació del Sistema Mètric Decimal a Espanya i el sistema mètric valencià; en el segon apartat, s'ha realitzat una anàlisi de la planimetria relativa a l'Antic Regne de València en l'època assenyalada, classificant-la segons la finalitat, estudiant la metrologia de cada pla i concloent amb la relació de les unitats longitudinals i superficials més usades i la seua equivalència amb el Sistema Mètric Decimal (actualment ISQ, ISO31) . / Rioja Castellano, V. (2016). Análisis metrológico de la planimetria empleada en el antiguo Reino de Valencia durante los siglos XVII, XVIII y XIX [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63454

El presente trabajo trata de asegurar la calidad en el proceso de medición que realizan los estudiantes en los laboratorios de física como parte del proceso de aprendizaje. Asimismo, trata de enseñar a los estudiantes los conceptos de metrología e incertidumbre y su aplicación en la medición y el tratamiento de los datos obtenidos en los experimentos y la estimación de las incertidumbres. Se busca desarrollar en el estudiante la habilidad de trabajar con instrumentos y aparatos de cierto grado de precisión y tratar de obtener valores muy cercanos al valor verdadero de la cantidad física medida para ello se incluye en el trabajo la utilización de un proceso estadístico determinando el valor más probable o valor promedio, la varianza estadística, la desviación estándar y la incertidumbre aleatoria que conduzca a especificar el intervalo de valores entre los cuales se encuentra la medida del objeto o mensurando. Asimismo, se incluirá como factores de incertidumbre los correspondientes a la instrumentación y las características de los equipos utilizados en el proceso. / The present work tries assuring the quality in the measurement process that the students realize in the physics laboratories as part of the learning process. Is also tries to teach students the concepts of metrology and uncertainty and its application in the measurement of data obtained in the experiments and the estimation of uncertainties. We try to develop in the student the ability to work with instruments and devices of a certain degree of precision and try to obtain values very close to the value of the physical quantity measured for this purpose. The use of a process is included in the work the use of a statistical process determining the most probable value, the statistical variance, the standard deviation and the random uncertainty, that leads to specifying the interval of values between which the measurement of the object are found or measuring. The corresponding uncertainty factors and the characteristics of the equipment used in the process will also be included.