En este trabajo se han desarrollado varias aplicaciones, empleando técnicas de multiplexado, dentro de los campos del procesado óptico de imágenes y del reconocimiento óptico de objetos. En concreto, empleando el multiplexado en longitud de onda como técnica que permite aumentar el caudal de información que se puede transmitir a través de un sistema óptico, hemos extendido las capacidades de reconocimiento de un correlador óptico iluminado con luz blanca al caso de la invariancia a escala del objeto de referencia hasta una relación de escalas de 2:1. Esto ha sido posible ampliando el espectro de detección hasta el infrarrojo cercano y empleando un filtro sólo de fase que aumenta las capacidades discriminativas del sistema. El dispositivo experimental multiplexa cada factor de escala del objeto de referencia en una longitud de onda diferente, por lo que el color del pico de detección que aparece en el plano de correlación nos indica automáticamente el tamaño que presenta el objeto de referencia.Empleando el mismo correlador iluminado con luz blanca hemos propuesto una aplicación que permite obtener, en la misma posición espacial y en tiempo real, las diferentes componentes wavelet de una función de entrada. Cada componente wavelet aparece en un intervalo distinto de longitudes de onda, que se puede seleccionar variando las características del sistema. En el caso presentado en la memoria, una cámara CCD en color con tres canales cromáticos RGB permite separar de forma automática cada componente wavelet en un canal cromático diferente.También se ha propuesto un dispositivo experimental que permite detectar la distancia a la que se encuentra un objeto de referencia sobre una escena tridimensional. La localización se realiza en tiempo real sin necesidad de ningún procesado intermedio de la imagen de entrada. La idea en la que se basa esta aplicación es que un cambio en la distancia a la que se encuentra un objeto sobre una escena tridimensional implica únicamente un cambio en su escala en una proyección bidimensional de la escena.Por otra parte, empleando la técnica de multiplexado espacial, en la que se busca aumentar la cantidad de información codificada espacialmente en la imagen de entrada para transmitirla simultáneamente por el sistema, hemos propuesto un sistema óptico que permite reconocer objetos tridimensionales. El dispositivo experimental, que está basado en la técnica de la perfilometría por transformada de Fourier, es extraordinariamente sencillo, y la detección se puede obtener en tiempo real, ya que no se necesita ningún procesado intermedio de la imagen de entrada. La información tridimensional del objeto se introduce en el sistema utilizando los patrones distorsionados que se obtienen al proyectar una red uniforme sobre la superficie de los objetos tridimensionales. El sistema detecta la presencia de un objeto tridimensional de referencia correlacionando la información tridimensional codificada en estos patrones distorsionados. El dispositivo experimental se puede construir empleando tanto un correlador óptico de transformada conjunta como un correlador óptico de VanderLugt.Además, se han propuesto dos extensiones de las capacidades de reconocimiento de objetos tridimensionales de este sistema óptico. Por un lado, empleando el desarrollo en armónicos circulares, hemos extendido el reconocimiento de objetos tridimensionales al caso de la invariancia a rotaciones, por lo que podemos detectar, en tiempo real, un objeto tridimensional independientemente de la orientación que éste presente sobre la escena de entrada. Por otro lado, empleando tanto el desarrollo en armónicos radiales de Mellin como el filtro de armónicos logarítmicos radiales, hemos extendido el reconocimiento de objetos tridimensionales al caso de la invariancia a escala. Podemos detectar, también en tiempo real, un objeto tridimensional independientemente del tamaño que éste presente, dentro de unos ciertos límites, sobre la escena de entrada.Todos los resultados que se presentan a lo largo del trabajo han sido obtenidos experimentalmente, y demuestran el buen comportamiento de todas las aplicaciones y los sistemas propuestos. / Several applications in the fields of optical pattern recognition and image processing using multiplexing techniques have been presented. Using wavelength multiplexing, we have improved the detection capabilities of a white-light optical correlator that now detects simultaneously different scaled reference objects up to a magnification factor equal to 2. The color of the correlation peak indicates us directly the scale factor of the detected reference object. As an additional application, the same experimental setup permits to obtain, in real time, the different wavelet components of an input function, in the same spatial region, and each one codified in a different interval of wavelengths. The interval of wavelengths in which each wavelet component appears can be selected by changing some characteristics of the system. We have also presented a new full-optical system to localize a reference object in the three-dimensional space. The system multiplexes each different depth position in a different wavelength, and so, the color of the obtained correlation peak permits to know without confusedness the exact localization of the object in the three-dimensional scene.Additionally, using the spatial multiplexing technique, we have presented a new full-optical system to recognize three-dimensional objects. The detection process can be performed in real time, because no digital processing of the input image is needed. The optical system, that is based on the Fourier transform profilometry technique, can be implemented using a joint-transform correlator or a classical convergent correlator. We have also extended the recognition capabilities of the new introduced technique to obtain rotation-invariant three-dimensional object recognition, and scale-invariant three-dimensional object recognition.All the results we present have been obtained experimentally, and demonstrate the good performance of all the applications and proposed systems.

En el Capítulo II de este trabajo se presentan los conceptos teóricos básicos necesarios para comprender los resultados que se presentan a partir del Capítulo III. Se presentan las configuraciones básicas que condujeron al desarrollo de los arreglos de encriptación, es decir los correladores 4f y JTC. Luego se presentan los sistemas de encriptación de doble máscara de fase aleatoria 4f y JTC. Dado que los datos encriptados ópticamente son esencialmente patrones de speckle se introduce las principales características de estas distribuciones. En el Capítulo III se estudia como es la distribución de la información del patrón encriptado en términos de los tamaños de los centros dispersores de las máscaras de fase objeto y llave para la arquitectura 4f. Este estudio provee las herramientas que permiten controlar la distribución espacial de los datos encriptados, de manera que la mayor cantidad de información pueda ser almacenada en el medio de registro disponible. Por otra parte, se analiza la degradación de la imagen desencriptada debido a la pérdida de información originada por el área finita del medio de almacenamiento. A partir de estos estudios se determina la mínima cantidad de datos encriptados necesarios para obtener una imagen desencriptada que permita reconocer el objeto de entrada. En el Capítulo IV se estudia como es la distribución de la información del patrón encriptado en términos de los tamaños de los centros dispersores de las máscaras objeto y llave para la arquitectura JTC. Siguiendo el mismo procedimiento que en el Capítulo III, se analiza el deterioro de la imagen desencriptada debido a la pérdida de datos encriptados por efecto del tamaño finito del medio de registro. Se demuestra que para esta arquitectura las imágenes desencriptadas presentan un ruido adicional debido a la no uniformidad de la amplitud del espectro de la máscara llave. Con el fin de solucionar este problema, se presenta una propuesta de un JTC optimizado para operar en sistemas de óptica virtual. Se demuestra a partir de resultados simulados que las imágenes se recuperan sin la degradación que exhiben las obtenidas en el JTC no optimizado. Por último, se demuestra que controlando adecuadamente el ancho de banda de la señal de entrada (objeto de entrada, máscara objeto) se puede mejorar significativamente la salida desencriptada para un medio de registro fijo. En el Capítulo V se analizan aspectos relevantes del almacenamiento múltiple de información encriptada. Se estudia la capacidad de multiplexado en los sistemas 4f y JTC en función del tamaño del objeto de entrada para un área fija del medio de registro. El multiplexado de datos encriptados se lleva a cabo mediante la variación de algún (ó algunos) parámetro óptico, tales como la longitud de onda, la polarización, etc., que asegure que los patrones encriptados correspondientes a distintos objetos de entrada sean estadísticamente independientes. Se presenta un método de evaluación de la sensibilidad del sistema al parámetro elegido. A partir de estos estudios, se implementa un multiplexado en longitud de onda para una arquitectura JTC y su aplicación para la encriptación de imágenes a color. También, se presentan resultados experimentales. En el Capítulo VI se proponen dos técnicas de encriptación óptica de información que utilizan el almacenamiento múltiple de datos encriptados como herramienta para aumentar la seguridad de un dato altamente confidencial y para crear canales que proporcionan diferentes niveles de acceso a la información encriptada. Finalmente, en el Capítulo VII se presentan las conclusiones y las perspectivas para futuros trabajos.

Com a evolução tecnológica há nos dias de hoje um aumento de dispositivos eletrônicos presentes ao nosso redor. Com o passar dos anos diversas funcionalidades vêm sendo agregadas a estes inclusive com maior poder de processamento. Em particular, para sistemas embarcados houve um crescimento da quantidade de sensores para diversos propósitos. Seguindo esta tendência, na área de saúde também houve um aumento significativo de aparelhos e dispositivos de monitoramento, tais como glicosimetros, oxímetros, monitoramento de pressão e batimento cardíaco por exemplo, que através de sensores realizam transdução dos dados pertinentes ao parâmetro envolvido. Este trabalho apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema embarcado com a propriedade de multiplexação de sensores, ou seja, foi desenvolvido um dispositivo microcontrolado o qual visa multiplicar a capacidade de monitoramento de analitos, conseguindo analisar múltiplos sensores para um mesmo experimento. Ao decorrer deste desenvolvimento foram utilizados quatro sensores dispostos simetricamente em um béquer, os dados são coletados e tratados de forma sequencial e individual. Inicialmente utilizamos um sistema embarcado com um microcontrolador (PIC 18F2550) que é responsável por digitalizar a informação e pela conexão via terminal USB. Posteriormente um microprocessador (Raspberry Pi Zero, placa embarcada) fez-se necessário devido ao melhor processamento de dados. Os sensores aqui estudados tratam-se de sensores químicos, que são introduzidos a uma célula eletroquímica, onde se encontram um eletrodo de referência (Prata em uma solução de Cloreto de Prata) e os outros quatro filmes finos que irão compor o sistema multiplexado. Para este estudo em específico o material escolhido para fabricação dos filmes finos foi um polímero condutivo, mais especificamente polianilina (PANI). Esta foi depositada sobre um substrato de oxido de estanho dopado com flúor (FTO) através da eletrodeposição. Para sensores não específicos (não imobilizados para um analito alvo) os dois sistemas embarcados apresentaram respostas satisfatórias. Prosseguindo com o estudo e usando filmes finos para analitos biológicos (ureia e glicose) o microcontrolador não conseguiu separar os sinais de cada filme fino. Apenas o sistema com a Raspberry Pi obteve sucesso, devido a maior resolução no conversor analógico para digital e sua maior capacidade de processamento para determinar com uma maior precisão os valores obtidos. O sistema pode ser facilmente expandido para um maior número de sensores. / With the evolution of technology there is nowadays an increase in the number of electronic devices present around us. Over the years various functionalities have been added to these devices including the increased processing power. In particular, for embedded systems there has been an increase in the number of sensors for various purposes. Following this trend, in the area of health, there has also been a significant increase in systems and monitoring devices, such as glycosimeters, oximeters, pressure monitoring and heart rate, for example, which, through sensors, transduce data pertinent to the parameter involved. This work presents the research and development of an embedded system with the property of multiplexing sensors, that is, a microcontrolled device was developed which aims to multiply the capacity of analytes monitoring, being able to analyze multiple sensors for the same experiment. During this development four sensors were used symmetrically arranged in a beaker, the data were collected and treated sequentially and individually. Initially we used an embedded system with a microcontroller (PIC 18F2550) that is responsible for scanning the information and for the connection via USB terminal. Subsequently a microprocessor (Raspberry Pi Zero, embedded board) was made necessary due to the better processing of data. The sensors studied here are chemical sensors, which are introduced to an electrochemical cell, where a reference electrode is found (Silver in a Silver Chloride solution) and the other four thin films that will make up the multiplexed system. For this specific study the material chosen for the manufacture of thin films was a conductive polymer, more specifically polyaniline (PANI). This was deposited on a substrate of fluorine-doped tin oxide (FTO) by electrodeposition. For non-specific sensors (not immobilized for a target analyte) the two embedded systems presented satisfactory responses. Proceeding with the study and using thin films for biological analytes (urea and glucose) the microcontroller failed to separate the signals from each thin film. Only the system with Raspberry Pi has been successful, due to the higher resolution in the analog to digital converter and its greater processing capacity to determine with greater precision the obtained values. The system can be easily expanded to a larger number of sensors.

Com a evolução tecnológica há nos dias de hoje um aumento de dispositivos eletrônicos presentes ao nosso redor. Com o passar dos anos diversas funcionalidades vêm sendo agregadas a estes inclusive com maior poder de processamento. Em particular, para sistemas embarcados houve um crescimento da quantidade de sensores para diversos propósitos. Seguindo esta tendência, na área de saúde também houve um aumento significativo de aparelhos e dispositivos de monitoramento, tais como glicosimetros, oxímetros, monitoramento de pressão e batimento cardíaco por exemplo, que através de sensores realizam transdução dos dados pertinentes ao parâmetro envolvido. Este trabalho apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema embarcado com a propriedade de multiplexação de sensores, ou seja, foi desenvolvido um dispositivo microcontrolado o qual visa multiplicar a capacidade de monitoramento de analitos, conseguindo analisar múltiplos sensores para um mesmo experimento. Ao decorrer deste desenvolvimento foram utilizados quatro sensores dispostos simetricamente em um béquer, os dados são coletados e tratados de forma sequencial e individual. Inicialmente utilizamos um sistema embarcado com um microcontrolador (PIC 18F2550) que é responsável por digitalizar a informação e pela conexão via terminal USB. Posteriormente um microprocessador (Raspberry Pi Zero, placa embarcada) fez-se necessário devido ao melhor processamento de dados. Os sensores aqui estudados tratam-se de sensores químicos, que são introduzidos a uma célula eletroquímica, onde se encontram um eletrodo de referência (Prata em uma solução de Cloreto de Prata) e os outros quatro filmes finos que irão compor o sistema multiplexado. Para este estudo em específico o material escolhido para fabricação dos filmes finos foi um polímero condutivo, mais especificamente polianilina (PANI). Esta foi depositada sobre um substrato de oxido de estanho dopado com flúor (FTO) através da eletrodeposição. Para sensores não específicos (não imobilizados para um analito alvo) os dois sistemas embarcados apresentaram respostas satisfatórias. Prosseguindo com o estudo e usando filmes finos para analitos biológicos (ureia e glicose) o microcontrolador não conseguiu separar os sinais de cada filme fino. Apenas o sistema com a Raspberry Pi obteve sucesso, devido a maior resolução no conversor analógico para digital e sua maior capacidade de processamento para determinar com uma maior precisão os valores obtidos. O sistema pode ser facilmente expandido para um maior número de sensores. / With the evolution of technology there is nowadays an increase in the number of electronic devices present around us. Over the years various functionalities have been added to these devices including the increased processing power. In particular, for embedded systems there has been an increase in the number of sensors for various purposes. Following this trend, in the area of health, there has also been a significant increase in systems and monitoring devices, such as glycosimeters, oximeters, pressure monitoring and heart rate, for example, which, through sensors, transduce data pertinent to the parameter involved. This work presents the research and development of an embedded system with the property of multiplexing sensors, that is, a microcontrolled device was developed which aims to multiply the capacity of analytes monitoring, being able to analyze multiple sensors for the same experiment. During this development four sensors were used symmetrically arranged in a beaker, the data were collected and treated sequentially and individually. Initially we used an embedded system with a microcontroller (PIC 18F2550) that is responsible for scanning the information and for the connection via USB terminal. Subsequently a microprocessor (Raspberry Pi Zero, embedded board) was made necessary due to the better processing of data. The sensors studied here are chemical sensors, which are introduced to an electrochemical cell, where a reference electrode is found (Silver in a Silver Chloride solution) and the other four thin films that will make up the multiplexed system. For this specific study the material chosen for the manufacture of thin films was a conductive polymer, more specifically polyaniline (PANI). This was deposited on a substrate of fluorine-doped tin oxide (FTO) by electrodeposition. For non-specific sensors (not immobilized for a target analyte) the two embedded systems presented satisfactory responses. Proceeding with the study and using thin films for biological analytes (urea and glucose) the microcontroller failed to separate the signals from each thin film. Only the system with Raspberry Pi has been successful, due to the higher resolution in the analog to digital converter and its greater processing capacity to determine with greater precision the obtained values. The system can be easily expanded to a larger number of sensors.

[ES] El desarrollo de los biosensores está permitiendo llevar a cabo análisis bioquímicos cada vez más rápidos, de manera mucho más sencilla y utilizando una menor cantidad de muestra. Esto está dando lugar a aplicaciones en las que se monitorizan parámetros de manera continua y autónoma, aumentando la eficiencia y reduciendo los costes. El tema principal de esta Tesis ha sido el desarrollo y la evaluación de biosensores que se basan en técnicas de transducción óptica, fabricados en silicio poroso, un material nanoestructurado que puede llegar a alcanzar una gran sensibilidad. El trabajo ha consistido en el estudio de la fabricación y la caracterización de membranas de silicio poroso obtenidas a partir de substratos tipo p de baja resistividad. Para ello se ha desarrollado un modelo matemático realista que permite simular el comportamiento del transductor y calcular sus parámetros experimentales. Gracias a esto, se han estudiado propiedades del material como el efecto térmico, llevando a caracterizar el efecto termo-óptico del silicio poroso en el rango infrarrojo del espectro. Además, se ha analizado la infiltración de la muestra en el transductor con el objetivo de mejorar su funcionamiento. Por este motivo, se han examinado diferentes morfologías de poros y se ha implementado un flujo activo durante el sensado, en el cual la sustancia a analizar fluye a través de la membrana porosa, resolviendo problemas de rellenado del sensor y mezclado con otras sustancias. / [CAT] El desenvolupament dels biosensors està permetent realitzar anàlisis bioquímics cada vegada més ràpids, de manera molt més senzilla i utilitzant una menor quantitat de mostra. Això està donant lloc a aplicacions en les quals es monitoritzen paràmetres de manera contínua i autònoma, augmentant l'eficiència i reduint els costos. El tema principal d'aquesta Tesis ha sigut el desenvolupament i l'avaluació de biosensors basats en tècniques de transducció òptica, fabricats en silici porós, un material nanoestructurat que pot arribar a aconseguir una gran sensibilitat. El treball ha consistit en l'estudi de la fabricació i la caracterització de membranes de silici porós obtingudes a partir de substrats tipus p de baixa resistivitat. Per a fer-ho, s'ha desenvolupat un model matemàtic realista que permet simular el comportament del transductor i calcular els seus paràmetres experimentals. Gràcies a això, s'han estudiat propietats del material com l'efecte tèrmic, el que ha permés caracteritzar l'efecte termo-òptic del silici porós en el rang infraroig de l'espectre. A més, s'ha analitzat la infiltració de la mostra en el transductor amb l'objectiu de millorar el seu funcionament. Per aquest motiu, s'han examinat diferents morfologies de porus i s'ha implementat un flux actiu durant el sensat, en el qual la substància a analitzar fluïx a través de la membrana porosa, resolent problemes d'ompliment del sensor i mesclat amb altres substàncies. / [EN] The development of biosensors is leading to faster and simpler analyses of biochemical samples, using them in lower quantities. Over the last years, these advances have allowed the emergence of applications where parameters can be monitored continuously and autonomously, increasing the efficiency and reducing the costs. This Thesis has focused on the development and evaluation of biosensors based on optical transducers, which are fabricated with porous silicon, a nanostructured material that is able to reach a high sensitivity. In this work, the fabrication and characterization of porous silicon membranes using heavily doped p-type silicon wafers have been studied. A realistic mathematical model has been developed in order to simulate the transducer's behavior and calculate the experimental parameters. This has led to the study of physical properties such as the thermal effect, where we were able to characterize the thermo-optic coefficient in the near-infrared range. Moreover, the penetration of the sample into the structure has been analyzed. For this purpose, several pore morphologies were examined and an active flow has been implemented during the sensing experiments, where the substance of interest flows through the porous membrane, to solve problems such as the partial filling of the sensor or the mixture of different substances during the experiments. / Martín Sánchez, D. (2019). Desarrollo de biosensores fotónicos basados en membranas de silicio poroso [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125695 / TESIS