Defects in Persistent Luminescence Materials

Persistent luminescence materials can store energy from solar radiation or artificial lighting and release it over a period of several hours without a continuous excitation source. These materials are widely used to improve human safety in emergency and traffic signalization. They can also be utilized in novel applications including solar cells, medical diagnostics, radiation detectors and structural damage sensors. The development of these materials is currently based on methods based on trial and error. The tailoring of new materials is also hindered by the lack of knowledge on the role of their intrinsic and extrinsic lattice defects in the appropriate mechanisms. The goal of this work was to clarify the persistent luminescence mechanisms by combining ab initio density functional theory (DFT) calculations with selected experimental methods. The DFT approach enables a full control of both the nature of the defects and their locations in the host lattice. The materials studied in the present work, the distrontium magnesium disilicate (Sr₂MgSi₂O₇) and strontium aluminate (SrAl₂O₄) are among the most efficient persistent luminescence hosts when doped with divalent europium Eu²⁺ and co-doped with trivalent rare earth ions R³⁺ (R: Y, La-Nd, Sm, Gd-Lu). The polycrystalline materials were prepared with the solid state method and their structural and phase purity was confirmed by X-ray powder diffraction. Their local crystal structure was studied by high-resolution transmission electron microscopy. The crystal and electronic structure of the nondoped as well as Eu²⁺, R^2+/3+ and other defect containing materials were studied using DFT calculations. The experimental trap depths were obtained using thermoluminescence (TL) spectroscopy. The emission and excitation of Sr₂MgSi₂O₇:Eu²+,Dy³⁺ were also studied. Significant modifications in the local crystal structure due to the Eu²⁺ ion and lattice defects were found by the experimental and DFT methods. The charge compensation effects induced by the R³⁺ co-doping further increased the number of defects and distortions in the host lattice. As for the electronic structure of Sr₂MgSi₂O₇ and SrAl₂O₄, the experimental band gap energy of the host materials was well reproduced by the calculations. The DFT calculated Eu²⁺ and R^2+/3+ 4fn as well as 4f^n-15d¹ ground states in the Sr₂MgSi₂O₇ band structure provide an independent verification for an empirical model which is constructed using rather sparse experimental data for the R³⁺ and especially the R²⁺ ions. The intrinsic and defect induced electron traps were found to act together as energy storage sites contributing to the materials’ efficient persistent luminescence. The calculated trap energy range agreed with the trap structure of Sr₂MgSi₂O₇ obtained using TL measurements. More experimental studies should be carried out for SrAl₂O₄ to compare with the DFT calculations. The calculated and experimental results show that the electron traps created by both the rare earth ions and vacancies are modified due to the defect aggregation and charge compensation effects. The relationships between this modification and the energy storage properties of the solid state materials are discussed.

Teholähteet led-valaistuksessa ja sopivan valinta kotitalouskäyttöön

Led-valaisun kehitys on mahdollistanut sen käytön kodin yleisvalaistuksessa. Työssä tutkitaan eri led-valaisuun soveltuvia teholähteitä, joista valitaan teknisiltä ominaisuuksiltaan sopivin kodin yleiskäyttöön. Tutkittavia teholähteitä ovat lineaariset ja hakkuriteholähteet. Teholähteiden ominaisuuksista tarkastellaan hyötysuhteita ja tehokertoimia, joista molempien perusteella sopivin teholähdetyyppi valitaan.

Technical evaluation of artificial ligthing systems for broiler houses

The spatial distribution of illuminance and the electric consumption of artificial lighting system is one of the main problems related to broiler production. Therefore, the aim of this study was to evaluate the spatial distribution of luminance level and energy efficiency of different lighting systems for broiler houses. Six types of lamps were tested in two different configurations to find the minimum illuminance of 20 and 5 lux. The tested lamps were incandescent (IL) 100 W, compact fluorescent (CFL) 34 W, mixed (ML) 160 W, sodium vapor (SVL) 70 W, T8 fluorescent tube (T8 FTL) 40 W and T5 fluorescent tube (T5 FTL) 28 W. The first four were evaluated with and without reflective light fixture and the latter two without light fixture. It was observed that the tested system with light fixtures negatively affected the spatial distribution of illuminance inside the house. The systems composed by IL and ML without light fixture led to better results in meeting the minimum illuminance of 20 lux and 5 lux, respectively. T5 FTL presented the lowest energy demand.

Impact of different light sources on broiler rearing environment

Broiler production is highly dependent on the use of artificial light. The light source may affect the effectiveness of housing conditions due to increasing ambient temperature and concentration of noxious gases. This research aimed to evaluate the effects of different bulb types on the thermal, aerial, and acoustic environment of broiler aviaries. The experiment was carried out at a commercial broiler farm in Dourados, Mato Grosso do Sul State, Brazil. Three aviaries were used, and two flocks of male broilers from Cobb® genetic strain were reared from the first day to slaughter. Each aviary was equipped with a different light source, comprising the adopted treatments (A1 - incandescent light bulb, control; A2 - sodium vapor light bulb; A3 - fluorescent light bulb). The aviaries were divided into nine quadrants, and the environmental data (ambient dry bulb temperature and relative humidity), litter surface temperature, CO2 and NH3 concentrations, and bird sound pressure behavior were recorded in each quadrant. The aviary with incandescent light presented higher air and litter temperatures, and concentration of gases than the other tested alternatives. It also presented higher level of sound pressure in the second week of the growing period; however, from this period up to slaughter, there was no effect of the light source on the results of broiler sound pressure level.

Energiansäästölamppujen vaikutukset pienjännitteisen sähkönjakeluverkon kuormitukseen ja häviöihin

Euroopan Unioni kieltää matalan hyötysuhteen lamppujen käyttämisen sekä sisä- että ulkovalaisimissa. Näin ollen matalan hyötysuhteen lamput, kuten perinteiset hehkulamput tulee vaihtaa paremman hyötysuhteen lamppuihin, kuten energiansäästölamppuihin. Energiansäästölampuissa 230 V, 50 Hz verkkosähkö muunnetaan valonlähteelle sopivaksi tehoelektroniikan avulla. 50 Hz perustaajuisen virran lisäksi energiansäästölamput ottavat verkosta harmonisia yliaaltoja. Harmoniset yliaallot aiheuttavat lisähäviöitä verkostokomponenteissa, kuten muuntajissa ja johdoissa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan millaisia vaikutuksia hehkulamppujen vaihtaminen energiansäästölamppuihin aiheuttaa pienjännitteisessä jakeluverkossa. Työssä tarkastellaan lyhyesti myös energiansäästölamppujen energiatehokkuutta, sekä sitä, millaisia rajoitteita standardit asettavat harmonisille yliaalloille.

Performance evaluation of 3D computer vision techniques

This work presents the implementation and comparison of three different techniques of three-dimensional computer vision as follows: • Stereo vision - correlation between two 2D images • Sensorial fusion - use of different sensors: camera 2D + ultrasound sensor (1D); • Structured light The computer vision techniques herein presented took into consideration the following characteristics: • Computational effort ( elapsed time for obtain the 3D information); • Influence of environmental conditions (noise due to a non uniform lighting, overlighting and shades); • The cost of the infrastructure for each technique; • Analysis of uncertainties, precision and accuracy. The option of using the Matlab software, version 5.1, for algorithm implementation of the three techniques was due to the simplicity of their commands, programming and debugging. Besides, this software is well known and used by the academic community, allowing the results of this work to be obtained and verified. Examples of three-dimensional vision applied to robotic assembling tasks ("pick-and-place") are presented.

Tutkimusprojektinhallinnan tarkastelu ja valo-ohjauskonsolin määrittely

Teekkareiden musiikkikerho halusi päivittää valo-ohjauskalustoaan sekä selvittää, olisiko järkevää tehdä ohjauksessa käytettävä konsoli itse. Tässä työssä käsitellään valo-ohjauskonsolin suunnitteluprojektin projektinhallintaa suunnittelun, määrittelyn, tavoitteiden ja työryhmän toiminnan osalta. Työssä tehdään myös valo-ohjauskonsolille suuntaa-antava määrittely, joka tarkoituksena on ottaa huomioon tärkeimpiä sähkölaitteen suunnittelussa huomioon otettavia kriteereitä. Työssä selvitetään, mikä on toimiva työmalli pienelle tutkimusprojektille ja kannattaako pienen organisaation valmistaa valo-ohjauskonsoli itse.

Scalable algorithms for height field illumination

Global illumination algorithms are at the center of realistic image synthesis and account for non-trivial light transport and occlusion within scenes, such as indirect illumination, ambient occlusion, and environment lighting. Their computationally most difficult part is determining light source visibility at each visible scene point. Height fields, on the other hand, constitute an important special case of geometry and are mainly used to describe certain types of objects such as terrains and to map detailed geometry onto object surfaces. The geometry of an entire scene can also be approximated by treating the distance values of its camera projection as a screen-space height field. In order to shadow height fields from environment lights a horizon map is usually used to occlude incident light. We reduce the per-receiver time complexity of generating the horizon map on N N height fields from O(N) of the previous work to O(1) by using an algorithm that incrementally traverses the height field and reuses the information already gathered along the path of traversal. We also propose an accurate method to integrate the incident light within the limits given by the horizon map. Indirect illumination in height fields requires information about which other points are visible to each height field point. We present an algorithm to determine this intervisibility in a time complexity that matches the space complexity of the produced visibility information, which is in contrast to previous methods which scale in the height field size. As a result the amount of computation is reduced by two orders of magnitude in common use cases. Screen-space ambient obscurance methods approximate ambient obscurance from the depth bu er geometry and have been widely adopted by contemporary real-time applications. They work by sampling the screen-space geometry around each receiver point but have been previously limited to near- field effects because sampling a large radius quickly exceeds the render time budget. We present an algorithm that reduces the quadratic per-pixel complexity of previous methods to a linear complexity by line sweeping over the depth bu er and maintaining an internal representation of the processed geometry from which occluders can be efficiently queried. Another algorithm is presented to determine ambient obscurance from the entire depth bu er at each screen pixel. The algorithm scans the depth bu er in a quick pre-pass and locates important features in it, which are then used to evaluate the ambient obscurance integral accurately. We also propose an evaluation of the integral such that results within a few percent of the ray traced screen-space reference are obtained at real-time render times.

The Role of networks in the internationalization process of Finnish design companies

Finnish design has attracted global attention lately and companies within the industry have potential in international markets. Because networks have been found to be extremely helpful in a firm’s international business operations and usefulness of networks is not fully exploited, their role in Finnish design companies is investigated. Accordingly, this study concentrates on understanding the role of networks in the internationalization process of Finnish design companies. This was investigated through describing the internationalization process of Finnish design companies, analyzing what kind of networks are related to internationalization process of Finnish design companies, and analyzing how networks are utilized in the internationalization process of Finnish design companies. The theoretical framework explores the Finnish design industry, internationalization process and networks. The Finnish design industry is introduced in general and the concept of design is defined to refer to the industries of textiles, furniture, clothing, and lighting equipment in the research. The theories of internationalization process, the Uppsala model and Luostarinen’s operation modes, are explored in detail. The Born Global theory, which is a contrary view to stage models, is also discussed. The concept of network is investigated, networks are classified into business and social networks, and network approach to internationalization is discussed. The research is conducted empirically and the research method is a descriptive case study. In this study, four case companies are investigated: the interior decoration unit of L-Fashion Group, Globe Hope, Klo Design, and Melaja Ltd. Data is collected by semi-structured interviews and the analysis is done in the following way: the case companies are introduced, their internationalization processes and networks are described and, finally, the comparison of the case companies is done in a form of cross-case analysis. This research showed that cooperation with social networks, such as locals or employees who have experience from the target market can be extremely helpful in the beginning of a Finnish design company’s internationalization process. This study also indicated that public organizations do not necessarily enhance the internationalization process in a design company point-of-view. In addition, the research showed that there is cooperation between small Finnish design companies whereas large design companies are not as open to cooperation with competitors.

Valaistuksen käyttö kysynnän jouston resurssina

Työssä tarkoituksena oli tutkia voidaanko valaistuksella toteutettua kysynnän joustoa. Työssä tutustuttiin mahdollisiin markkinapaikkoihin ja kysynnän jousto tarkoittaa. Työssä käydään läpi valaistuksen perusteita, sekä nykyisien ohjaustapojen energiatehokkuutta tukevia ratkaisuja. Tekniselle toteutukselle ei ole estettä, käytännöntoteutukselle esteeksi muodostuu valaistustason muutoksen häiritsevyys. Järjestelmällä voidaan muodostaa valaistukselle hinta mitä halutaan palvelusta maksaa. Työssä tarkasteltiin ohjauksen sijoittamista esimerkkikuormalle.

Rakennettu areenatähteys. Rock-konsertti globalisoituvana mediaspektaakkelina 1965-2013

Kulttuurihistorian alaan kuuluva artikkeliväitöskirja edustaa populaarikulttuurin ja tarkemmin populaarimusiikin tutkimusta kiinnittyen ennen muuta audiovisuaalisen mediakulttuurin muutokseen 1960-luvulta tähän päivään. Väitöskirja käsittelee Pink Floydin, The Rolling Stonesin, U2:n ja Peter Gabrielin areenakonserttikiertueita ja kyseisten kiertueiden lavasuunnittelijoiden Mark Fisherin ja Robert Lepagen toimintaa. Tutkimus tarkastelee, miten jättiläismäiset mediaspektaakkelit saivat alkunsa, ammattimaistuivat ja globalisoituivat vuosien 1965–2013 välillä. Analyysin kohteena on se, miten ne rakentuivat ja toisaalta rakensivat areenatähteyttä sekä uudistivat audiovisuaalista kulttuuria. Konserttien avainkohtia ja populaarijulkisia aineistoja hermeneuttisesti tulkiten ja lähilukien sekä historiallisesti kontekstoiden tutkimus rakentaa kulttuurihistoriallisen kokonaistulkinnan viihdeteollisuuden mahtipontiseksi muotoutuneen ilmiön tuotannosta. Tutkimuksen lähtökohtana on populaarimusiikkitähden vaikutus 1900-luvun jälkipuoliskon ja 2000-luvun alun massamediassa ja kulttuurissa. Tarkastelemalla areenarockin mediaspektaakkeleiden kulttuurihistoriaa tutkimus ottaa kantaa niihin kaupallisiin, teknologisiin ja poliittisiin muutoksiin, jotka ovat viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana mahdollistaneet tähteyden globaalia leviämistä. Tämän muutoksen seurauksena lähes kenestä tahansa voi tulla tähti ja lähes mistä tahansa kulttuuri-ilmiöstä voi tulla populaaria. Mutta vain jotkut tähdet ja yhtyeet esiintyvät täysille areenoille. Areenakonsertit ovatkin tähteysilmiön keskeisiä huipentumia, globaalin viihdekulttuurin äärimmäisiä manifestaatioita. Nykyiset areenoilla tapahtuvat mediaspektaakkelit ovat monimutkaista audiovisuaalista musiikkiteatteria, jossa kaikkien esityksen elementtien – teatraalisten ja audiovisuaalisten efektien – tulee olla mahdollisimman suuria ja taitavasti rytmitettyjä. Mediaspektaakkelien analyysissa tulee erityisesti kohdistaa huomio erilaisten medioiden suhteisiin sekä kysymykseen siitä, miten suuri osa audiovisuaalista konserttikokemusta itse asiassa on ennalta rakennettua ja nauhoitettua. Lavasuunnittelu yhdistää esiintyjän teatraaliset eleet ja esiintymisen laajempaan audiovisuaaliseen ja ennalta mietittyyn temaattiseen kokonaisuuteen. Tähän kuuluvat suurten konserttilavojen kertakäyttöarkkitehtuuri, valon ja pintojen yhdistäminen populaariin kuvastoon sekä itse teoksien audiovisuaalisen kerronnan historiallisiin ja nostalgisiin viitteisiin.

Kiinteistöautomaatio osana älykkäitä sähköjärjestelmiä

Työssä tarkasteltiin älykkäiden sähköverkkojen näkökulmasta, millaisia toiminnallisuuksia kiinteistöautomaatiojärjestelmiltä odotetaan ja miten markkinoilla olevat järjestelmät vastaavat näihin odotuksiin. Lisäksi arvioitiin, kuinka taloudellisesti kannattavia valittuihin automaatiojärjestelmiin kuuluvat energian käytön hallintaan liittyvät toiminnallisuudet ovat sähkönkäyttäjien näkökulmasta. Lopuksi tehtiin lyhyt katsaus kiinteistöautomaatiojärjestelmien tulevaisuuden näkymiin. Kiinteistöautomaatiolla voidaan vaikuttaa energian käytön tehokkuuteen ohjaamalla esimerkiksi valaistusta, ilmanvaihtoa, ilmastointia, lämmitystä ja sähkölaitteita. Eräs vaihtoehto on toteuttaa ohjauksen avulla markkinapohjaista kysyntäjoustoa, jossa kiinteistön sähköjärjestelmän toimintaa säädetään sähkön hinnan perusteella. Kiinteistössä tulee myös voida tehdä laitekohtaisia energiankulutuksen mittauksia, jotka antavat tietoa sähkönkäyttäjille eri laitteiden sähkönkulutuksesta. Kiinteistöautomaation ja sähkön pientuotannon yleistymisen myötä on myös etähallittavien virtuaalivoimaloiden toteuttaminen tulossa mahdolliseksi. Lisäksi laskettiin sähkönkäyttäjän kannalta lämmityksen, valaistuksen ja ilmanvaihdon ohjauksen kannattavuutta ja selvitettiin, että tutkituissa esimerkkijärjestelmissä suurin säästöpotentiaali on lämmityksen ohjauksessa.

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presented

Sähkön laadun tutkimus hypermarketin pysäköintihallin valaistustekniikkamuutoksessa

Talotekniikan alalla valaistusmuutoksissa LED-valaistus on nykypäivää. Valaistuksen käyttöominaisuudet ja hyödyt tekevät siitä perustellun valinnan myös suurissa kohteissa. Näistä laajemmista valaistuksen muutoksista ja niiden vaikutuksista sähkön laatuun ei ole yleisesti mittaustietoa. Tämä tutkimus perustui sähkön laadun käytännön mittauksiin valaistusmuutoksessa, jossa elohopeahöyrylampuilla toteutettu valaistus vaihdettiin LED-valaistukseen hypermarketin pysäköintihallissa. Valaistusjärjestelmän muutoksen vaikutusta sähkön laatuun tutkittiin vertailemalla mittaustuloksia vanhan ja uuden järjestelmän välillä. Tutkimuksen tarkoituksena oli osoittaa miten LED-valaistukseen siirtyminen vaikuttaa sähkön laatuun valitussa tutkimuskohteessa. Tutkimuksessa tuotettu tieto on hyödynnettävissä vastaavissa kohteissa LED-valaistukseen siirryttäessä sekä valaistuksen käyttöönoton suunnittelussa ja toteuttamisessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää myös kustannusten arvioimisessa valaistavan tilan sähkönkulutuksen osalta. Tutkimus toteutettiin käyttämällä triangulaatiomenetelmää eli teemahaastattelulla, kirjallisuuskatsauksella ja käytännön mittauksilla. Näiden menetelmien tulokset tukivat tutkimukselle asetettuja hypoteeseja. Valitulla tutkimusmenetelmällä saatiin selville, että LED-valaistukseen siirtymisellä ei ollut heikentäviä vaikutuksia sähkön laatuun tutkitun kohteen valaistusjärjestelmässä. Toisaalta positiivisina vaikutuksina huomioitiin muun muassa merkittävä energian säästö, virran harmonisten häiriöiden väheneminen sekä kokonaistehokertoimen parantuminen.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.