Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.

Photoacoustic effect measurement in aqueous suspensions of gold nanorods caused by low-frequency and low-power near-infrared pulsing laser irradiation

When aqueous suspensions of gold nanorods are irradiated with a pulsing laser (808 nm), pressure waves appear even at low frequencies (pulse repetition rate of 25 kHz). We found that the pressure wave amplitude depends on the dynamics of the phenomenon. For fixed concentration and average laser current intensity, the amplitude of the pressure waves shows a trend of increasing with the pulse slope and the pulse maximum amplitude.We postulate that the detected ultrasonic pressure waves are a sort of shock waves that would be generated at the beginning of each pulse, because the pressure wave amplitude would be the result of the positive interference of all the individual shock waves.

Detection and quantification of peanut traces in wheat flour by near infrared hyperspectral imaging spectroscopy using principal-component analysis

The use of a common environment for processing different powder foods in the industry has increased the risk of finding peanut traces in powder foods. The analytical methods commonly used for detection of peanut such as enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) represent high specificity and sensitivity but are destructive and time-consuming, and require highly skilled experimenters. The feasibility of NIR hyperspectral imaging (HSI) is studied for the detection of peanut traces down to 0.01% by weight. A principal-component analysis (PCA) was carried out on a dataset of peanut and flour spectra. The obtained loadings were applied to the HSI images of adulterated wheat flour samples with peanut traces. As a result, HSI images were reduced to score images with enhanced contrast between peanut and flour particles. Finally, a threshold was fixed in score images to obtain a binary classification image, and the percentage of peanut adulteration was compared with the percentage of pixels identified as peanut particles. This study allowed the detection of traces of peanut down to 0.01% and quantification of peanut adulteration from 10% to 0.1% with a coefficient of determination (r2) of 0.946. These results show the feasibility of using HSI systems for the detection of peanut traces in conjunction with chemical procedures, such as RT-PCR and ELISA to facilitate enhanced quality-control surveillance on food-product processing lines.

Use of infrared thermography as a tool to monitor skin temperature along the recovery process of an anterior cruciate ligament surgery

Infrared thermography (IRT) is a safe and non-invasive tool used for examining physiological functions based on skin temperature (Tsk) control. Thermograms from 25 anterior cruciate ligament (ACL) surgically operated patients (2 female, 23 male) were taken with a FLIR infrared camera according to the protocol established by the International Academy of Clinical Thermology (IACT). This work consists of 4 studies. Studies 1 and 3 were related to establish the probable thermal difference among different moments of an ACL rupture after surgery: before starting the rehabilitation (P0), at the end of rehabilitation (P1) and 18 months from the end of rehabilitation (P2). For this purpose, on the other hand, studies 2 and 4 were related to establish the skin thermal difference (Tsk) between the injured and the non-injured leg in P0, P1 and P2. Results of the first study showed significant temperature increases in the posterior thigh area between P0 and P1 probably due to a compensatory mechanism. According to this, we can conclude that temperature of the posterior area of the injured and noninjured leg has increased from the first to the last day of the rehabilitation process. In the second study we found significant temperature differences between the injured and non-injured leg in both stages of rehabilitation (p<.01). On the one hand, the temperature of the injured leg is higher in the anterior view and the temperature of the non-injured leg is higher in the posterior view. By the time the patients had recovered from the reconstruction, thermal imbalances should have not been shown between symmetrical parts, but differences seemed to be still latent.. Study 3 shows that temperatures seem to be higher after a year and a half (P2) than in P1. Study 4 shows how thermal values 18 months later seemed to be normalized between both legs. No significant differences were found between the injured leg and the noninjured leg after one year and a half of the rehabilitation process. Considering results from Study 3 and 4 we can conclude that patients seemed to have recovered from a thermal point of view. The temperature in P2 was higher but symmetrical. RESUMEN La termografía infrarroja (IRT) es una herramienta segura y no invasiva utilizada para examinar funciones fisiológicas que se basan en el control de temperatura de la piel (Tsk). Termogramas de 25 pacientes intervenidos quirúrgicamente del ligamento cruzado anterior (LCA) (2 mujeres, 23 hombres) fueron tomadas con una cámara de infrarrojos FLIR de acuerdo con el protocolo establecido por la Academia Internacional de Termología Clínica (IACT). Este trabajo consiste en 4 estudios. Los estudios 1 y 3 describen la diferencia térmica entre los diferentes momentos tras la operación del ligamento cruzado anterior: antes de comenzar la rehabilitación (P0), al final de la rehabilitación (P1) y 18 meses tras finalizar la rehabilitación (P2). Por otra parte, los estudios 2 y 4 describen la diferencia de temperatura de la piel (Tsk) entre la pierna lesionada y la pierna no lesionada en P0, P1 y P2. Los resultados del primer estudio mostraron aumentos significativos de temperatura en la zona posterior de los muslos entre P0 y P1, probablemente debido a un mecanismo de compensación. De acuerdo con esto, se puede concluir que la temperatura de la zona posterior de la pierna lesionada y no lesionada se ha incrementado desde el primero hasta el último día del proceso de rehabilitación. En el segundo estudio se encontraron diferencias significativas de temperatura entre la pierna lesionada y no lesionada en ambas etapas de la rehabilitación (p<.01). Por un lado, la temperatura de la pierna lesionada es mayor en la vista anterior. Por otro lado, la temperatura de la pierna no lesionada es mayor en la vista posterior. Una vez que los pacientes se han recuperado de todo el proceso, no deberían existir desequilibrios térmicos entre partes simétricas del cuerpo, pero las diferencias todavía estaban latentes. El tercer estudio muestra que la temperatura es más alta en P2 que en P1. El cuarto estudio muestra cómo los valores térmicos entre ambas piernas en P2 se han normalizado entre ambas piernas. No se encontraron diferencias significativas entre la pierna lesionada y la pierna no lesionada después de 18 meses tras el proceso de rehabilitación. Considerando los resultados del studio 3 y 4, podemos concluir que se ha llegado a la recuperación total desde un punto de vista térmico. La temperatura es más elevada en P2 pero simétrica.