Erros de alinhamento em sistemas ópticos não criam novas aberrações, mas alteram a dependência com o campo das aberrações já conhecidas. Neste trabalho, a sensibilidade teórica ao alinhamento, de sistemas ópticos reflexivos compostos por dois elementos, foi avaliada em função das constantes cônicas dos espelhos. Dentre as diferentes configurações consideradas nesta análise, uma específica apresenta menor sensibilidade à descentralização do espelho secundário. A utilização da teoria de aberração de onda aplicável a sistemas plano-simétricos revelou que a escolha apropriada da constante cônica do espelho secundário faz com que coma uniforme de terceira ordem seja compensado quando esse elemento encontra-se descentralizado, fazendo com que esse sistema seja livre da aberração mais importante causada a ele por desalinhamentos, tornando-o menos sensível. Este trabalho apresenta uma metodologia de alinhamento baseada na análise da frente de onda transmitida por sistemas ópticos, que utiliza redes neurais artificiais para a estimativa dos erros de alinhamento. A frente de onda transmitida por um sistema óptico carrega informações das aberrações desse sistema, que podem ser descritas em termos dos polinômios de Zernike. Esses polinômios podem ser usados para a análise dos efeitos de erros de alinhamento nas aberrações do sistema. Redes neurais artificiais são empregadas na análise dos coeficientes dos polinômios de Zernike visando avaliar o tipo de desalinhamento e a sua magnitude. As estimativas teóricas dos desalinhamentos tanto em sistemas reflexivos como em sistemas refrativos são satisfatórias quando o sistema é considerado perfeito, ou seja, as superfícies ópticas de seus elementos não apresentam erros de forma e não há ruído nos dados avaliados. Na presença de defeitos de fabricação ocorre degradação no desempenho do estimador. Além de descentralização e inclinação, redes neurais artificiais são capazes de fornecer uma estimativa de erros de posicionamento axial dos elementos do sistema. Com base nos estudos realizados, acredita-se que redes neurais artificiais constituem uma alternativa promissora no alinhamento de sistemas ópticos complexos. / Although misalignments in optical systems do not generate new aberration forms, they change the field-dependence of the known ones. In this research, the sensitivity of two-mirror optical systems due to misalignments is evaluated in function of the conic constants of the mirrors. Among the different configurations considered in this study, a specific one has shown low sensitivity due to decenter misalignments. The application of the wave aberration theory for plane-symmetric optical systems has revealed that the proper choice of the secondary mirror conic constant allows third-order uniform coma to be compensated, leading to a less sensitive system, free from the most important misalignment-induced aberration. This thesis also presents an alignment methodology based on the analysis of the transmitted wavefront utilizing artificial neural networks to estimate alignment errors in the components of the system. The transmitted wavefront carries information about the aberrations in the optical system, which can be described in terms of Zernike polynomials. Such polynomials are used for the analysis of the effects of misalignments on the aberrations of the system. Artificial neural networks are employed in the analysis of the coefficients of Zernike polynomials and used to evaluate both type and magnitude of the misalignments. Theoretical misalignments estimated in reflexive and refractive optical systems are satisfactory for perfect systems, i.e., systems with no surface errors, and noiseless data. When surface imperfections are considered, the performance of the estimator is reduced. Besides decenter and tilt misalignments, artificial neural networks can estimate axial positioning errors of the elements in the system, therefore they are believed to be a promising alternative for the alignment of complex optical systems.

Retinógrafo é um complexo sistema óptico que, simultaneamente, ilumina e captura imagens da retina. Basicamente, esse equipamento é composto por três módulos: iluminação, lente objetiva e detecção. Em razão de seu sofisticado desenho óptico, é possível conciliar baixa refletividade da retina e obtenção de imagens de alta qualidade. Entretanto, em virtude do alto número de componentes não-coaxiais do módulo de iluminação, seu alinhamento óptico se torna complexo. Neste trabalho, é apresentado um sistema óptico totalmente coaxial para um retinógrafo nãomidriático. A óptica de iluminação tradicional é substituída por um anel de Surface Mounted Device (SMD) Light Emitting Diodes (LEDs) que, analogamente ao equipamento tradicional, forma um anel de luz no plano da pupila do olho, iluminando homogeneamente a retina e evitando reflexos gerados na córnea. Com essa substituição, os três módulos do equipamento se tornam coaxiais, facilitando o alinhamento final. Devido à inovação da arquitetura do retinógrafo, um novo método de eliminação de reflexos também foi introduzido, possibilitando ao equipamento fornecer imagens nítidas e de alta qualidade, suficientes para exames de triagem. Além da iluminação, os módulos da objetiva e de detecção foram substituídos por componentes comerciais, visando a simplificação do projeto de retinógrafo. Dessa forma, pretende-se reduzir o custo de comercialização do produto, de modo que clínicas no Brasil e em países em desenvolvimento possam ser equipadas e capazes de realizar diagnósticos de doenças do olho que causam perda parcial ou total da visão. / Fundus camera is a complex optical system that simultaneously illuminates and images the retina. It is basically divided into three modules: objective lens, illumination and detection. Because of its sophisticate optical design, it is possible to achieve high-quality images under low reflected light by the fundus. However, due to its high number of off-axis components, mainly in the illumination system, the optical alignment of the equipment can be complex. To simplify the architecture of the equipment, we report a completely coaxial optical system, with no off-axis components. The traditional illumination system is replaced by a ring of light emitting diodes of surface mounted device type. As in the previous design, the eye pupil is illuminated with a ring of light, producing a uniform pattern on the retina and avoiding reflection on the cornea. Due to this new design and the lack of optical components in the illumination system, a new method of avoiding reflection on the surfaces of the objective lens is presented. Besides, the objective lens and the detection system were composed of commercial components, also simplifying the equipment project and lowering its cost. The final goal of this work is to provide non-mydriatic high quality fundus images for screening with a low-cost equipment, enabling developing countries to increase the number of people examined.

<p>This dissertation describes three computational sensors. The first sensor is a scanning multi-spectral aperture-coded microscope containing a coded aperture spectrometer that is vertically scanned through a microscope intermediate image plane. The spectrometer aperture-code spatially encodes the object spectral data and nonnegative</p> <p>least squares inversion combined with a series of reconfigured two-dimensional (2D spatial-spectral) scanned measurements enables three-dimensional (3D) (x, y, &#955) object estimation. The second sensor is a coded aperture snapshot spectral imager that employs a compressive optical architecture to record a spectrally filtered projection</p> <p>of a 3D object data cube onto a 2D detector array. Two nonlinear and adapted TV-minimization schemes are presented for 3D (x,y,&#955) object estimation from a 2D compressed snapshot. Both sensors are interfaced to laboratory-grade microscopes and</p> <p>applied to fluorescence microscopy. The third sensor is a millimeter-wave holographic imaging system that is used to study the impact of 2D compressive measurement on 3D (x,y,z) data estimation. Holography is a natural compressive encoder since a 3D</p> <p>parabolic slice of the object band volume is recorded onto a 2D planar surface. An adapted nonlinear TV-minimization algorithm is used for 3D tomographic estimation from a 2D and a sparse 2D hologram composite. This strategy aims to reduce scan time costs associated with millimeter-wave image acquisition using a single pixel receiver.</p> / Dissertation

In this thesis, I have developed a range of theoretical and numerical techniques for modelling the behaviour of partially coherent optical systems and multi-mode detectors. The numerical simulations were carried out for the ultra-low-noise Transition Edge Sensors (TESs) being proposed for use on the SAFARI instrument on the cooled aperture infrared space telescope SPICA (34 - 210 μm). The optical behaviour of the SAFARI system is described in terms of the optical modes of the telescope, as distinct from the optical modes of the detector. The performance of the TESs were assessed in terms of signal power, background power and photon noise. To establish a method for precisely characterising and calibrating ultra-low-noise TESs, a cryogenic test system was designed and engineered to measure the optical efficiencies of the SAFARI TESs. The multi-mode, partially coherent illumination conditions of the measurement system were engineered to be precisely the same as those of the telescope. A major difference between the test system and the telescope’s optics is that the telescope will have focusing elements, but the test system was designed to avoid focusing elements in order to keep the optical path as clean as possible. The theoretical formalism and numerical models were adapted accordingly to address this difference. The numerical simulations show that the test system could provide near identical optical performance as that of the telescope system even though the focusing elements were absent. I also performed experimental measurements to investigate the optical efficiencies of the multi-mode TESs. The detectors worked exceedingly well in all respects with satisfactory optical efficiencies. In addition, it has been shown that the optical model provides a good description of the optical behaviour of the test system and detectors. Further modal analysis was developed to study losses in the multi-mode horns. The optical behaviour of the waveguide-mounted thin absorbing films in the far-infrared was modelled using a mode-matching method.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-06-26T13:45:43Z No. of bitstreams: 1 EMANUEL PEREIRA SOARES - TESE (PPGCEMat) 2016.pdf: 5694808 bytes, checksum: 0e810a171e0ef5e6c6238f4884d08109 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-26T13:45:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EMANUEL PEREIRA SOARES - TESE (PPGCEMat) 2016.pdf: 5694808 bytes, checksum: 0e810a171e0ef5e6c6238f4884d08109 (MD5) Previous issue date: 2016-06-21 / A medida da Distribuição do Tempo de Residência (DTR) em tempo real durante o processo de extrusão permite realizar uma análise global do desempenho do equipamento (extrusora), proporcionando um melhor conhecimento do comportamento do fluxo do material durante todo o processo. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema ótico (hardware e software) para detecção de curvas DTR em tempo real durante a extrusão de polímeros. O sistema de detecção teve sua eficiência validada. Os resultados obtidos sugeriram que o sistema foi capaz de detectar as curvas de DTR com um elevado número de pontos, bem como se mostrou sensível a variação na concentração e no tipo de traçador utilizado; além disso, foi possível confirmar a boa reprodutibilidade das medições o que qualificou o sistema para o levantamento das curvas de DTR em tempo real. Posteriormente, foram avaliados os efeitos nas alterações das variáveis de processamento sobre a forma e os parâmetros das curvas de DTR. Foi possível confirmar que a variação na taxa de alimentação possui uma maior influência sobre as curvas DTR do que a velocidade da rosca, fato este corroborado com a literatura. também constatou-se que as alterações no Índice de Fluidez do material de fluxo afetaram a dispersão (capacidade de mistura) nas curvas de DTR. A eficiência energética do processo de extrusão também foi analisada através do levantamento da energia mecânica dissipada e da energia mecânica especifica, foi apresentada uma correlação destes parâmetros energéticos com o tempo de residencia médio. Neste trabalho também foi utilizado uma ferramenta computacional (WinTXS™) para simular as condições de processamento experimentais; a partir daí realizou-se a comparação entre os dados medidos experimentalmente e os simulados, de modo a estabelecer um grau de concordância entre os mesmos. Os resultados obtidos permitiram comprovar que medição da DTR e a simulação computacional unidimensinal são ferramentas importantes no estudo do processo de extrusão de polímeros. / The measurement of Residence Time Distribution (RTD) in real time during the extrusion process allows a comprehensive analysis of equipment performance (extruder), providing a better understanding of the material flow behavior throughout the process. This work developed an optical system (hardware and software) to detect RTD curves in real time during the extrusion of polymers. The efficiency in the detection system was validated. The results obtained suggest that the system it was able to detect the RTD curves with a large number of points, and is sensitive to variations in the concentration and type of tracer used; furthermore, it was possible to confirm the good reproducibility of the measurements which qualify the system for lifting the RTD curves in real time. subsequently, we evaluated the effects of changes in processing variables on the form and parameters of the RTD curves. It was confirmed that the variation in feed rate has a larger influence on cornering RTD than the speed of the screw, a fact corroborated by the literature. It was also found that the change in Melt Index affect the flow of material dispersion (mixing capacity) in the RTD curves. The energy efficiency of the extrusion process was also analyzed by surveying the dissipated mechanical energy and mechanical energy specifies a correlation is presented these energy parameters with the average residence time. This work also used a computational tool (WinTXS ™) to simulate the processing conditions; there after it conducted a comparison between the experimentally measured and simulated data to establish the degree of agreement there between. Results show evidence that measurement of RTD and unidimensinal computer simulation is important tools in the study of polymer extrusion process.

Retinógrafo é um complexo sistema óptico que, simultaneamente, ilumina e captura imagens da retina. Basicamente, esse equipamento é composto por três módulos: iluminação, lente objetiva e detecção. Em razão de seu sofisticado desenho óptico, é possível conciliar baixa refletividade da retina e obtenção de imagens de alta qualidade. Entretanto, em virtude do alto número de componentes não-coaxiais do módulo de iluminação, seu alinhamento óptico se torna complexo. Neste trabalho, é apresentado um sistema óptico totalmente coaxial para um retinógrafo nãomidriático. A óptica de iluminação tradicional é substituída por um anel de Surface Mounted Device (SMD) Light Emitting Diodes (LEDs) que, analogamente ao equipamento tradicional, forma um anel de luz no plano da pupila do olho, iluminando homogeneamente a retina e evitando reflexos gerados na córnea. Com essa substituição, os três módulos do equipamento se tornam coaxiais, facilitando o alinhamento final. Devido à inovação da arquitetura do retinógrafo, um novo método de eliminação de reflexos também foi introduzido, possibilitando ao equipamento fornecer imagens nítidas e de alta qualidade, suficientes para exames de triagem. Além da iluminação, os módulos da objetiva e de detecção foram substituídos por componentes comerciais, visando a simplificação do projeto de retinógrafo. Dessa forma, pretende-se reduzir o custo de comercialização do produto, de modo que clínicas no Brasil e em países em desenvolvimento possam ser equipadas e capazes de realizar diagnósticos de doenças do olho que causam perda parcial ou total da visão. / Fundus camera is a complex optical system that simultaneously illuminates and images the retina. It is basically divided into three modules: objective lens, illumination and detection. Because of its sophisticate optical design, it is possible to achieve high-quality images under low reflected light by the fundus. However, due to its high number of off-axis components, mainly in the illumination system, the optical alignment of the equipment can be complex. To simplify the architecture of the equipment, we report a completely coaxial optical system, with no off-axis components. The traditional illumination system is replaced by a ring of light emitting diodes of surface mounted device type. As in the previous design, the eye pupil is illuminated with a ring of light, producing a uniform pattern on the retina and avoiding reflection on the cornea. Due to this new design and the lack of optical components in the illumination system, a new method of avoiding reflection on the surfaces of the objective lens is presented. Besides, the objective lens and the detection system were composed of commercial components, also simplifying the equipment project and lowering its cost. The final goal of this work is to provide non-mydriatic high quality fundus images for screening with a low-cost equipment, enabling developing countries to increase the number of people examined.

Erros de alinhamento em sistemas ópticos não criam novas aberrações, mas alteram a dependência com o campo das aberrações já conhecidas. Neste trabalho, a sensibilidade teórica ao alinhamento, de sistemas ópticos reflexivos compostos por dois elementos, foi avaliada em função das constantes cônicas dos espelhos. Dentre as diferentes configurações consideradas nesta análise, uma específica apresenta menor sensibilidade à descentralização do espelho secundário. A utilização da teoria de aberração de onda aplicável a sistemas plano-simétricos revelou que a escolha apropriada da constante cônica do espelho secundário faz com que coma uniforme de terceira ordem seja compensado quando esse elemento encontra-se descentralizado, fazendo com que esse sistema seja livre da aberração mais importante causada a ele por desalinhamentos, tornando-o menos sensível. Este trabalho apresenta uma metodologia de alinhamento baseada na análise da frente de onda transmitida por sistemas ópticos, que utiliza redes neurais artificiais para a estimativa dos erros de alinhamento. A frente de onda transmitida por um sistema óptico carrega informações das aberrações desse sistema, que podem ser descritas em termos dos polinômios de Zernike. Esses polinômios podem ser usados para a análise dos efeitos de erros de alinhamento nas aberrações do sistema. Redes neurais artificiais são empregadas na análise dos coeficientes dos polinômios de Zernike visando avaliar o tipo de desalinhamento e a sua magnitude. As estimativas teóricas dos desalinhamentos tanto em sistemas reflexivos como em sistemas refrativos são satisfatórias quando o sistema é considerado perfeito, ou seja, as superfícies ópticas de seus elementos não apresentam erros de forma e não há ruído nos dados avaliados. Na presença de defeitos de fabricação ocorre degradação no desempenho do estimador. Além de descentralização e inclinação, redes neurais artificiais são capazes de fornecer uma estimativa de erros de posicionamento axial dos elementos do sistema. Com base nos estudos realizados, acredita-se que redes neurais artificiais constituem uma alternativa promissora no alinhamento de sistemas ópticos complexos. / Although misalignments in optical systems do not generate new aberration forms, they change the field-dependence of the known ones. In this research, the sensitivity of two-mirror optical systems due to misalignments is evaluated in function of the conic constants of the mirrors. Among the different configurations considered in this study, a specific one has shown low sensitivity due to decenter misalignments. The application of the wave aberration theory for plane-symmetric optical systems has revealed that the proper choice of the secondary mirror conic constant allows third-order uniform coma to be compensated, leading to a less sensitive system, free from the most important misalignment-induced aberration. This thesis also presents an alignment methodology based on the analysis of the transmitted wavefront utilizing artificial neural networks to estimate alignment errors in the components of the system. The transmitted wavefront carries information about the aberrations in the optical system, which can be described in terms of Zernike polynomials. Such polynomials are used for the analysis of the effects of misalignments on the aberrations of the system. Artificial neural networks are employed in the analysis of the coefficients of Zernike polynomials and used to evaluate both type and magnitude of the misalignments. Theoretical misalignments estimated in reflexive and refractive optical systems are satisfactory for perfect systems, i.e., systems with no surface errors, and noiseless data. When surface imperfections are considered, the performance of the estimator is reduced. Besides decenter and tilt misalignments, artificial neural networks can estimate axial positioning errors of the elements in the system, therefore they are believed to be a promising alternative for the alignment of complex optical systems.

This diploma thesis deals with the design of a 3D optical scanner using the structured light projection method. The aim of this thesis is to demonstrate the principles and processes of 3D scanning by using the DLP LightCrafter projector and the ImagingSource camera. The individual stages of the measurement process will be implemented to the Matlab software environment to describe the various principles and methods which can be used for digitizing the objects.

The goal of this thesis is to create a methodology for measuring vibration on the aircraft construction with using optical system and perform basic frequency analysis. Work shortly discusses the theoretical foundations of aeroelastic phenomenon and methods of solving its own deflection shapes and frequencies. In the practical part is measurement methodology designed for simple vibration of clamped rods and then is applied to a frequency analysis of the wing.

In this thesis, we investigate the propagation of some coherent and partially coherent laser beams, including a dark hollow beam (DHB), an elliptical Gaussian beam (EGB), a flat-topped beam and a twisted anisotropic Gaussian Schell-model (TAGSM) beam, through a paraxial optical system or a turbulent atmosphere. Several theoretical models are proposed to describe a DHB of circular or non-circular symmetry. Approximate analytical formulas for a DHB and a partially coherent TAGSM beam propagating through an apertured paraxial optical system are derived based on the generalized Collins formula. Analytical formulas for a DHB, an EGB, a flat-topped beam and a partially coherent TAGSM beam propagating in a turbulent atmosphere are derived in a tensor form based on the extended Huygens-Fresnel integral formula. It is found that after a long propagation distance these beams become circular Gaussian beams in a turbulent atmosphere, and this is quite different from their propagation properties in free space. The conversion of any of these beams to a circular Gaussian beam becomes quicker and the beam spot in the far field spreads more rapidly for a larger structure constant of the turbulent atmosphere, a shorter wavelength and a smaller waist size of the initial beam. Lower coherence and larger twist have a stronger effect of anti-circularization of the beam spot. Our analytical formulas provide a convenient way for studying the propagation of various laser beams through a paraxial optical system or a turbulent atmosphere. The concept of coincidence fractional Fourier transform (FRT) with an incoherent or partially coherent beam is introduced, and the optical system for its implementation is designed. The coincidence FRT is demonstrated experimentally with a partially coherent beam, and the experimental results are consistent with the theoretical results. / QC 20100831