Three-Dimensional Shape Measurements of Specular Objects Using Phase-Measuring Deflectometry

The fast development in the fields of integrated circuits, photovoltaics, the automobile industry, advanced manufacturing, and astronomy have led to the importance and necessity of quickly and accurately obtaining three-dimensional (3D) shape data of specular surfaces for quality control and function evaluation. Owing to the advantages of a large dynamic range, non-contact operation, full-field and fast acquisition, high accuracy, and automatic data processing, phase-measuring deflectometry (PMD, also called fringe reflection profilometry) has been widely studied and applied in many fields. Phase information coded in the reflected fringe patterns relates to the local slope and height of the measured specular objects. The 3D shape is obtained by integrating the local gradient data or directly calculating the depth data from the phase information. We present a review of the relevant techniques regarding classical PMD. The improved PMD technique is then used to measure specular objects having discontinuous and/or isolated surfaces. Some influential factors on the measured results are presented. The challenges and future research directions are discussed to further advance PMD techniques. Finally, the application fields of PMD are briefly introduce

Cyclododecane as opcifier for digitalization of archaeological glass

[EN] This paper faces the problem of acquiring archaeological artifacts using triangulation based 3D laser scanners and focusing on reflective/refractive surfaces. This kind of artifacts are mostly made of glass or polished metal, and the properties of their surfaces violate most of the fundamental assumptions made by vision algorithms. Also, the unique and fragile nature of archaeological artifacts adds an extra constraint to the acquisition process: the use of industrial whitening sprays has to be avoided, due to the physicochemical processes required to clean the surface after scanning and because the chemical properties of these sprays may damage the original object. As an alternative to them, a new way to use a common conservation material is proposed: the use of cyclododecane as a whitening spray. Thanks to its chemical stability and to the fact that it sublimes at room temperature, together with its good filmforming capabilities, a set of evaluation tests is presented to prove thatthe error introduced by the opaque thin layer created on the surface of the artifact is smaller than the accuracy of the 3D scanner and, thus, no acquisition errors are introduced. A comparison with general-purpose industrial whitening sprays is also presented, and achieved results show no significant differences in the quality of the resulting 3D models.This work is supported by the "Programa de Ayudas de Investigacion y Desarrollo (PAID)" of the Universitat Politecnica de Valencia and the "Plan Nacional de I+D+i 2008-2011" from the Ministerio de Economia y Competitividad of Spain, Projects ID: HAR2012-38391-C02-01 and HAR2012-38391-C02-02.Díaz Marín, MDC.; Aura Castro, E.; Sánchez Belenguer, C.; Vendrell Vidal, E. (2016). Cyclododecane as opcifier for digitalization of archaeological glass. Journal of Cultural Heritage. 17:131-140. https://doi.org/10.1016/j.culher.2015.06.003S1311401

Lens-free interferometric microscope for transparent materials

As health systems fight against epidemics and infectious diseases, new forms of diagnostics need to be developed in order to meet the growing demand for services, often in locations without the necessary infrastructure. An emerging solution to this problem is point of care (POC) devices since they can provide rapid diagnostics without the need for specialized personnel or complex infrastructures. In this thesis, we show the development of a POC platform for the rapid early detection of infection, in particular Sepsis, a whole-body inflammatory reaction with high mortality rates. The main components of this platform are: a lens-free interferometric microscope (LIM) and a microfluidic cartridge with a functionalized plasmonic chip for the label-free detection of biomarkers. The LIM is also able to measure the phase modulation in commercial plasmonic chips. More specifically the thesis describes: • The development of a LIM with a large field of view and depth of field showing a sensitivity of 1nm along the beam propagation axis, which allows, for instance, the measurements of ultra-thin (2nm thickness) transparent silica and protein monolayer microarrays. • The generation of periodic structured light beams, obtained using a simple configuration including the birefringent elements of the LIM. These can be applied not only to imaging and biomarker detection but also in additive manufacturing and micro-structuring of surfaces. • The phase measurement of commercial surface plasmon resonance chips for the detection of changes in the refractive index of liquids. The phase measurements provide a sensitivity for bulk refractive index changes that is about one order of magnitude larger than for intensity-based detection under similar conditions. These results show a potential enhancement of the sensitivity of standard systems used in the biomedical community. • The development of a POC device comprising the LIM as a reader of specifically designed plasmonic gold nanohole array chips. The reading of the phase signal in the LIM shows a sensitivity increased by one order of magnitude thanks to the enhanced localized surface plasmon resonance interaction. Low concentrations of proteins and bacteria (as low as a single unit) are detected in measurements that also include human samples. This platform has the potential to multiplex the signal for simultaneous detection of thousands or even millions of different biomarkers. The LIM presented in this thesis is a very sensitive and robust imaging system with a high performance level for the detection of small quantities of transparent materials, with applications in microscopy and biomedicine.A medida que los sistemas de salud combaten epidemias y enfermedades infecciosas, nuevas formas de diagnóstico deben desarrollarse para satisfacer la creciente demanda de servicios, a menudo en lugares sin la infraestructura necesaria. Una solución emergente a este problema son los dispositivos de punto de atención (POC por sus siglas en inglés) ya que pueden proporcionar un diagnóstico rápido sin la necesidad de personal especializado o infraestructura compleja. En esta tesis mostramos el desarrollo de una plataforma POC para la detección rápida y temprana de infecciones, en particular Sepsis, una reacción inflamatoria de todo el cuerpo con altas tasas de mortalidad. Los principales componentes de esta plataforma son: un microscopio interferométrico sin lentes (LIM por sus siglas en inglés) y un cartucho de microfluídica con un chip plasmónico funcionalizado para la detección de biomarcadores, libre de marcadores adicionales. El LIM es también capaz de medir la modulación de fase en chips plasmónicos comerciales. Más específicamente, la tesis describe: * El desarrollo del LIM con un gran campo de visión y profundidad de campo mostrando una sensibilidad de 1nm a lo largo del eje de propagación del haz, que permite, por ejemplo, las mediciones de microarreglos ultrafinos (grosor de 2nm) y transparentes de Sílica y de monocapas de proteína.* La generación de haces de luz estructurados periódicos, obtenidos usando una configuración simple que incluye los elementos birrefringentes del LIM. Estos pueden ser aplicados no sólo a la detección de imágenes y biomarcadores, sino también a la fabricación aditiva y microestructuración de superficies. * La medición de fase en chips comerciales por resonancia de plasmón superficial para la detección de cambios en el índice de refracción de líquidos. Las mediciones de fase proporcionan una sensibilidad para cambios de índice de refracción en bulto que es aproximadamente un orden de magnitud mayor que para la detección basada en la intensidad con condiciones similares. Estos resultados muestran una potencial mejora de la sensibilidad de los sistemas estándar utilizados en la comunidad biomédica. * El desarrollo de un dispositivo POC que comprende el LIM como lector de chips plasmónicos de oro con arreglos de nano-agujeros específicamente diseñados. La lectura de la señal de fase en el LIM muestra un aumento de un orden de magnitud en la sensibilidad gracias a la interacción mejorada por la resonancia de plasmón superficial localizado. Bajas concentraciones de proteínas y bacterias (tan bajas como una sola bacteria) se detectan en mediciones que también incluyen muestras humanas. Esta plataforma tiene el potencial de multiplexar la señal para la detección simultánea de miles o incluso millones de biomarcadores diferentes. El LIM presentado en esta tesis es un sistema de imagen muy sensible y robusto con un alto nivel de rendimiento para la detección de pequeñas cantidades de materiales transparentes, con aplicaciones en microscopía y biomedicina.Postprint (published version

Lens-free interferometric microscope for transparent materials

As health systems fight against epidemics and infectious diseases, new forms of diagnostics need to be developed in order to meet the growing demand for services, often in locations without the necessary infrastructure. An emerging solution to this problem is point of care (POC) devices since they can provide rapid diagnostics without the need for specialized personnel or complex infrastructures. In this thesis, we show the development of a POC platform for the rapid early detection of infection, in particular Sepsis, a whole-body inflammatory reaction with high mortality rates. The main components of this platform are: a lens-free interferometric microscope (LIM) and a microfluidic cartridge with a functionalized plasmonic chip for the label-free detection of biomarkers. The LIM is also able to measure the phase modulation in commercial plasmonic chips. More specifically the thesis describes: • The development of a LIM with a large field of view and depth of field showing a sensitivity of 1nm along the beam propagation axis, which allows, for instance, the measurements of ultra-thin (2nm thickness) transparent silica and protein monolayer microarrays. • The generation of periodic structured light beams, obtained using a simple configuration including the birefringent elements of the LIM. These can be applied not only to imaging and biomarker detection but also in additive manufacturing and micro-structuring of surfaces. • The phase measurement of commercial surface plasmon resonance chips for the detection of changes in the refractive index of liquids. The phase measurements provide a sensitivity for bulk refractive index changes that is about one order of magnitude larger than for intensity-based detection under similar conditions. These results show a potential enhancement of the sensitivity of standard systems used in the biomedical community. • The development of a POC device comprising the LIM as a reader of specifically designed plasmonic gold nanohole array chips. The reading of the phase signal in the LIM shows a sensitivity increased by one order of magnitude thanks to the enhanced localized surface plasmon resonance interaction. Low concentrations of proteins and bacteria (as low as a single unit) are detected in measurements that also include human samples. This platform has the potential to multiplex the signal for simultaneous detection of thousands or even millions of different biomarkers. The LIM presented in this thesis is a very sensitive and robust imaging system with a high performance level for the detection of small quantities of transparent materials, with applications in microscopy and biomedicine.A medida que los sistemas de salud combaten epidemias y enfermedades infecciosas, nuevas formas de diagnóstico deben desarrollarse para satisfacer la creciente demanda de servicios, a menudo en lugares sin la infraestructura necesaria. Una solución emergente a este problema son los dispositivos de punto de atención (POC por sus siglas en inglés) ya que pueden proporcionar un diagnóstico rápido sin la necesidad de personal especializado o infraestructura compleja. En esta tesis mostramos el desarrollo de una plataforma POC para la detección rápida y temprana de infecciones, en particular Sepsis, una reacción inflamatoria de todo el cuerpo con altas tasas de mortalidad. Los principales componentes de esta plataforma son: un microscopio interferométrico sin lentes (LIM por sus siglas en inglés) y un cartucho de microfluídica con un chip plasmónico funcionalizado para la detección de biomarcadores, libre de marcadores adicionales. El LIM es también capaz de medir la modulación de fase en chips plasmónicos comerciales. Más específicamente, la tesis describe: * El desarrollo del LIM con un gran campo de visión y profundidad de campo mostrando una sensibilidad de 1nm a lo largo del eje de propagación del haz, que permite, por ejemplo, las mediciones de microarreglos ultrafinos (grosor de 2nm) y transparentes de Sílica y de monocapas de proteína.* La generación de haces de luz estructurados periódicos, obtenidos usando una configuración simple que incluye los elementos birrefringentes del LIM. Estos pueden ser aplicados no sólo a la detección de imágenes y biomarcadores, sino también a la fabricación aditiva y microestructuración de superficies. * La medición de fase en chips comerciales por resonancia de plasmón superficial para la detección de cambios en el índice de refracción de líquidos. Las mediciones de fase proporcionan una sensibilidad para cambios de índice de refracción en bulto que es aproximadamente un orden de magnitud mayor que para la detección basada en la intensidad con condiciones similares. Estos resultados muestran una potencial mejora de la sensibilidad de los sistemas estándar utilizados en la comunidad biomédica. * El desarrollo de un dispositivo POC que comprende el LIM como lector de chips plasmónicos de oro con arreglos de nano-agujeros específicamente diseñados. La lectura de la señal de fase en el LIM muestra un aumento de un orden de magnitud en la sensibilidad gracias a la interacción mejorada por la resonancia de plasmón superficial localizado. Bajas concentraciones de proteínas y bacterias (tan bajas como una sola bacteria) se detectan en mediciones que también incluyen muestras humanas. Esta plataforma tiene el potencial de multiplexar la señal para la detección simultánea de miles o incluso millones de biomarcadores diferentes. El LIM presentado en esta tesis es un sistema de imagen muy sensible y robusto con un alto nivel de rendimiento para la detección de pequeñas cantidades de materiales transparentes, con aplicaciones en microscopía y biomedicina

State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review [Invited]

This paper reviews recent developments of non-contact three-dimensional (3D) surface metrology using an active structured optical probe. We focus primarily on those active non-contact 3D surface measurement techniques that could be applicable to the manufacturing industry. We discuss principles of each technology, and its advantageous characteristics as well as limitations. Towards the end, we discuss our perspectives on the current technological challenges in designing and implementing these methods in practical applications.Purdue Universit

Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

Computational Depth-resolved Imaging and Metrology

In this thesis, the main research challenge boils down to extracting 3D spatial information of an object from 2D measurements using light. Our goal is to achieve depth-resolved tomographic imaging of transparent or semi-transparent 3D objects, and to perform topography characterization of rough surfaces. The essential tool we used is computational imaging, where depending on the experimental scheme, often indirect measurements are taken, and tailored algorithms are employed to perform image reconstructions. The computational imaging approach enables us to relax the hardware requirement of an imaging system, which is essential when using light in the EUV and x-ray regimes, where high-quality optics are not readily available. In this thesis, visible and infrared light sources are used, where computational imaging also offers several advantages. First of all, it often leads to a simple, flexible imaging system with low cost. In the case of a lensless configuration, where no lenses are involved in the final image-forming stage between the object and the detector, aberration-free image reconstructions can be obtained. More importantly, computational imaging provides quantitative reconstructions of scalar electric fields, enabling phase imaging, numerical refocus, as well as 3D imaging

The Acoustic Hologram and Particle Manipulation with Structured Acoustic Fields

This book shows how arbitrary acoustic wavefronts can be encoded in the thickness profile of a phase plate - the acoustic hologram. The workflow for design and implementation of these elements has been developed and is presented in this work along with examples in microparticle assembly, object propulsion and levitation in air. To complement these results, a fast thermographic measurement technique has been developed to scan and validate 3D ultrasound fields in a matter of seconds