Near-field diffraction-based focal length determination technique

An accurate and simple technique for determining the focal length of a lens is presented. It consists of measuring the period of the fringes produced by a diffraction grating at the near field when it is illuminated with a beam focused by the unknown lens. In paraxial approximation, the period of the fringes varies linearly with the distance. After some calculations, a simple extrapolation of data is performed to obtain the locations of the principal plane and the focal plane of the lens. Thus, the focal length is obtained as the distance between the two mentioned planes. The accuracy of the method is limited by the collimation degree of the incident beam and by the algorithm used to obtain the period of the fringes. We have checked the technique with two commercial lenses, one convergent and one divergent, with nominal focal lengths (+100±1) mm and (−100±1) mm respectively. We have experimentally obtained the focal lengths resulting into the interval given by the manufacturer but with an uncertainty of 0.1%, one order of magnitude lesser than the uncertainty given by the manufacturer.

Near-field diffraction of chirped gratings

In this Letter, we analyze the near-field diffraction pattern produced by chirped gratings. An intuitive analytical interpretation of the generated diffraction orders is proposed. Several interesting properties of the near-field diffraction pattern can be determined, such as the period of the fringes and its visibility. Diffraction orders present different widths and also, some of them present focusing properties. The width, location, and depth of focus of the converging diffraction orders are also determined. The analytical expressions are compared to numerical simulation and experimental results, showing a high agreement.

Diffraction by random Ronchi gratings

In this work, we obtain analytical expressions for the near-and far-field diffraction of random Ronchi diffraction gratings where the slits of the grating are randomly displaced around their periodical positions. We theoretically show that the effect of randomness in the position of the slits of the grating produces a decrease of the contrast and even disappearance of the self-images for high randomness level at the near field. On the other hand, it cancels high-order harmonics in far field, resulting in only a few central diffraction orders. Numerical simulations by means of the Rayleigh–Sommerfeld diffraction formula are performed in order to corroborate the analytical results. These results are of interest for industrial and technological applications where manufacture errors need to be considered.

Dynamics of vector rogue waves in a fiber laser with a ring cavity

A pulse–pulse interaction that leads to rogue wave (RW) generation in lasers was previously attributed either to soliton–soliton or soliton–dispersive-wave interaction. The beating between polarization modes in the absence of a saturable absorber causes similar effects. Accounting for these polarization modes in a laser resonator is the purpose of the distributed vector model of laser resonators. Furthermore, high pump power, high amplitude, and short pulse duration are not necessary conditions to observe pulse attraction, repulsion, and collisions and the resonance exchange of energy between among them. The regimes of interest can be tuned just by changing the birefringence in the cavity with the pump power slightly higher than the laser threshold. This allows the observation of a wide range of RW patterns in the same experiment, as well as to classify them. The dynamics of the interaction between pulses leads us to the conclusion that all of these effects occur due to nonlinearity induced by the inverse population in the active fiber as well as an intrinsic nonlinearity in the passive part of the cavity. Most of the mechanisms of pulse–pulse interaction were found to be mutually exclusive. This means that all the observed RW patterns, namely, the “lonely,” “twins,” “three sisters,” and “cross,” are probably different cases of the same process.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

Modular catalyst: from the tiling of a water plane to the design of a floating structure

La tesi nasce dalla volontà di agire sull’area della Darsena di Ravenna, strategica in quanto via d’acqua navigabile che congiunge il mare con il centro città ma dal potenziale ancora poco sfruttato. Il progetto è studiato per essere inserito come catalizzatore urbano, creando spazi di interazione attraverso elementi modulari galleggianti e riconfigurabili per adattarsi a programmi d’uso flessibili; tali elementi si aggregano formando un sistema che ristruttura lo spazio dell’attuale banchina, cambiandone la percezione da barriera a waterfront urbano. La necessità di ottenere una struttura con capacità di crescita e flessibilità programmatica sfocia in un approccio modulare seguendo il principio massima variazione/minimo numero di elementi i cui principi aggregativi si basano sulla tassellazione “Cairo”. Vengono studiate le possibilità di incorporare variazione ed eterogeneità all’interno del sistema senza comprometterne la modularità fino ad integrare percorsi multilivello. La definizione delle morfologie delle parti che compongono i moduli si basano sullo studio dei principi di galleggiamento, stabilità e yacht design: a partire dalla forma dello scafo adatta ai principi di tiling definiti in precedenza, tutte le parti che compongono le varie tipologie di modulo sono progettate cercando continuità e integrazione tettonica (geometrica, strutturale, funzionale e percettiva). Vengono proposte soluzioni integrate sia per le problematiche tipiche delle strutture galleggianti sia per l’inserimento di attività all’interno della soluzione architettonica. Vengono prototipati di una serie di moduli, scelti in modo da dimostrare i principi di ricombinazione, continuità, modularità e tiling.

L'atmosfera termica e il suo ruolo nell'entropia dei buchi neri

Con il testo presente, si intende mostrare come i gradi di libertà associati all'entropia di un buco nero possano essere ricercati in parte fruttuosamente nell'interazione dei campi quantistici con la struttura causale e geometrica esibita da un buco nero. Nel Capitolo 1, si affrontano le principali caratteristiche dei buchi neri alla luce della teoria classica di Relatività Generale: sono analizzate la soluzione di Schwarzschild e la struttura causale nello spazio-tempo conseguente, discutendo le definizioni di orizzonte e di singolarità e il rapporto che le lega, con riferimento ai risultati di Penrose e Hawking. Introdotto, all'inizio del Capitolo 2, il concetto di gravità superficiale e la metrica di Kerr-Newman, si studia il significato delle Quattro Leggi dei buchi neri, valide per soluzioni stazionarie. Il Capitolo 3 espone quali motivazioni spingano a proporre una caratterizzazione termodinamica dei buchi neri, attribuendovi una temperatura e un'entropia (detta “di Bekenstein-Hawking”) di natura geometrica, dipendente dall'area dell'orizzonte; si trattano qui i problemi che si incontrano nel costruire una corrispondente Meccanica Statistica. Si descrive dunque in quali termini il processo di radiazione di Hawking riesca a dare una spiegazione fisica della temperatura, e si rileva la presenza, secondo osservatori statici, di un'atmosfera termica nei pressi dell’orizzonte. Infine, si esamina la possibilità di attribuire alla radiazione di Hawking i gradi di libertà relativi all'entropia di Bekenstein-Hawking. In particolare, si illustra il modello a muro di mattoni di 't Hooft, che lega i gradi di libertà all'atmosfera termica. Considerando infine la deformazione dell'orizzonte dovuta a fluttuazioni quantistiche, si giunge alla conclusione che l'entropia dell'atmosfera termica rappresenta non un'interpretazione dell'entropia di Bekenstein-Hawking, bensì una sua correzione al secondo ordine.

Confronto tra tecniche di remote sensing per la caratterizzazione di un ammasso roccioso presso le Gole di Scascoli, Loiano (BO)

Il versante sinistro delle Gole di Scascoli (BO) è caratterizzato da una marcata tendenza evolutiva per crollo e ribaltamento. Negli ultimi 25 anni si sono verificati eventi parossistici con volumi di roccia coinvolti rispettivamente di 7000 m3, 20000 m3 e 35000 m3. Il sito è di grande rilevanza a causa del forte fattore di rischio rappresentato per la strada di fondovalle ad esso adiacente. Il lavoro di tesi è stato finalizzato allo studio dei fenomeni di versante di una parete rocciosa inaccessibile nota in letteratura come “ex-Mammellone 1” mediante tecniche di telerilevamento quali TLS (Terrestrial Laser Scanning) e CRP (Close Range Photogrammetry) al fine affiancare il rilievo geomeccanico soggettivo dell’area svolto nel 2003 da ENSER Srl in seguito ai fenomeni di crollo del 2002. Lo sviluppo di tecnologie e metodi innovativi per l’analisi territoriale basata sull’impiego di UAV (Unmanned Aerial Vehicle, meglio noti come Droni), associata alle tecniche di fotogrammetria digitale costituisce un elemento di notevole ausilio nelle pratiche di rilevamento in campo di sicurezza e tempi di esecuzione. Il lavoro ha previsto una prima fase di rilevamento areo-fotogrammetrico mediante strumentazione professionale e amatoriale, a cui è seguita l’elaborazione dei rispettivi modelli. I diversi output sono stati confrontati dal punto di vista geomorfologico, geometrico, geomeccanico e di modellazione numerica di caduta massi. Dal lavoro è stato possibile indagare l’evoluzione morfologica del sito in esame negli ultimi 10 anni, confrontare diversi metodi di rilevamento e analisi dati, sperimentare la robustezza e ripetibilità geometrica del metodo fotogrammetrico per il rilievo di fronti rocciosi e mettere a punto un metodo semiautomatico di individuazione e analisi delle giaciture delle discontinuità.

Spectral damage model for lighted museum paintings: Oil, acrylic and gouache

A spectral aging test was developed to estimate the photochemical damage of oil, acrylic and gouache paints exposed to permanent lighting. The paints were irradiated at seven different wavelengths in the optical range to control and evaluate their spectral behaviour. To reach this objective, boxes with isolated aging cells were made. In each of box, one LED of a different wavelength and one photodiode were installed. Inside the boxes, the temperature of an exhibit area was recreated through a thermocouple sensor that controlled the temperature using a fan. The heat produced by the LED was dissipated by a thermal radiator. Moreover, to evaluate the exposure time dependence of the irradiation level, the test was performed using two different irradiation levels in ten exposure series. After each series, the spectral reflectance was measured, and the data collected for each paint and wavelength were used to develop a model of damage produced by the interaction between the spectral radiant exposure and the paint.

Topographic optical profilometry of steep slope micro-optical transparent surfaces

Optical profilometers based on light reflection may fail at surfaces presenting steep slopes and highly curved features. Missed light, interference and diffraction at steps, peaks and valleys are some of the reasons. Consequently, blind areas or profile artifacts may be observed when using common reflection micro-optical profilometers (confocal, scanning interferometers, etc…). The Topographic Optical Profilometry by Absorption in Fluids (TOPAF) essentially avoids these limitations. In this technique an absorbing fluid fills the gap between a reference surface and the surface to profile. By comparing transmission images at two different spectral bands we obtain a reliable topographic map of the surface. In this contribution we develop a model to obtain the profile under micro-optical observation, where high numerical aperture (NA) objectives are mandatory. We present several analytical and experimental results, validating the technique’s capabilities for profiling steep slopes and highly curved micro-optical surfaces with nanometric height resolution.

Light losses in hollow, prismatic light guides related to prim defects: a transmittance model

Hollow, cylindrical, prismatic light guides (CPLGs) are optical components that, using total internal reflection (TIR), are able to transmit high-diameter light beams in daylight and artificial lighting applications without relevant losses. It is necessary to study the prism defects of their surfaces to quantify the behavior of these optical components. In this Letter, we analyze a CPLG made of a transparent dielectric material. Scanning electron microscopy (SEM) and the topographic optical profilometry by absorption in fluids (TOPAF) imaging technique are conducted to determine if there are defects in the corners of the prisms. A model for light guide transmittance that is dependent on prism defects is proposed. Finally, a simulation and an experimental study are carried out to check the validity of the proposed model.