[pt] Esta Tese consiste na pesquisa, dimensionamento e desenvolvimento de estruturas de microondas que utilizam grafeno e nanotubos de carbono como componente fundamental. São apresentadas aplicações em dispositivos de micro-ondas e no domínio óptico, tais como filtros, conversores de frequência, antenas de microondas, absorvedores de microondas etc. Também são apresentados os resultados dos testes realizados em todos os dispositivos desenvolvidos. Alguns dispositivos contém inovações ainda não reportadas na literatura. / [en] This Thesis consists inthe research, dimensioning and design of microwave structures that use graphene and carbon nanotubes as fundamental component. Applications are presented in microwave devices and in the optical domain, such as filters, frequency converters, microwave antennas, microwave absorber etc. Besides that, the results of the tests performed in all designed devices are presented. Some devices have innovations not yet reported in the literature.

La miniaturisation des systèmes optiques est un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt scientifique actuellement. En effet, moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. Des travaux de recherche sont actuellement menés pour miniaturiser les systèmes optiques : moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. J'ai tout d'abord mis en évidence des stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques. Parmi elles, les approches menant à des systèmes multivoies semblent être les plus prometteuses pour concevoir des systèmes à la fois compacts et performants. J'ai alors proposé deux architectures multivoies simples, compactes et intégrées au plus près du détecteur infrarouge. La première, de champ d'observation égal à 120°, intègre une matrice de microlentilles à quelques centaines de micromètres seulement du détecteur infrarouge : elle est qualifiée de caméra sur puce. Des défis technologiques ont dû être relevés pour réaliser ce composant. J'ai développé un algorithme de reconstruction d'images et évalué expérimentalement les performances de la caméra. Ce système produit, après traitements, une image échantillonnée au pas de 7,5 µm. Cette valeur est deux fois meilleure que celle qui pourrait être obtenue avec une caméra monovoie classique, associée à un détecteur infrarouge à l'état de l'art actuel, avec un pas pixel de 15 µm. J'ai contribué à la réalisation du second système en développant une méthode originale et simple pour en fabriquer les matrices de microlentilles. Cette technique consiste à mouler par compression de la poudre de bromure de potassium à température ambiante.Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs infrarouges, qui intègrent une fonction d'imagerie. / Miniaturizing optical systems is a research area of great interest nowadays: if they were smaller and cheaper, optical systems could be widespread in many applications. This work aims at designing very compact optical systems for imagery applications, which could be integrated near the infrared cryogenic detector and ideally directly on it.First, I have presented original design strategies to simplify and miniaturize optical systems. Approaches which lead to multichannel systems seem to be the most interesting ones to design compact and effective systems. Then, I have proposed two multichannel optical architectures, which are simple, compact, and integrated near the infrared detector. The first camera, which has a field of view equal to 120°, integrates a microlens array at a few hundreds of micrometers only of the infrared detector: it is called a wafer-level camera. Technological challenges have been overcome to manufacture this component. I have developed an image processing method, and assessed the characteristics of the camera experimentally. This system samples the final image with a pitch equal to 7,5 µm. This value is two times better than the one which could be obtained by using a one-channel camera associated with a state-of-the-art infrared detector, with a pixel pitch equal to 15 µm. In order to manufacture the second architecture, I have developed an original and simple method to obtain the microlens arrays, by compression molding of Potassium Bromide powder at ambient temperature. This work gives some elements to design a new generation of infrared detectors with an imagery function.

O principal intento deste trabalho é demonstrar como a combinação de resultados de modelos radiométricos e de análises do limite de resolução de imagens produzem impactos positivos não apenas no projeto óptico de retinógrafos de alta resolução, mas que também geram ferramentas que auxiliam na definição da arquitetura de todo o equipamento, considerando, inclusive, os limites impostos por normas internacionais para a segurança do paciente em relação a radiação emitida na realização dos exames. Particularmente ao projeto óptico, foram desenvolvidos os sistemas de iluminação e imageamento da retina, onde se destacam duas propostas de metodologias: a primeira para a implementação da técnica de eliminação das bem conhecidas retro-reflexões geradas no conjunto óptico que é comum à iluminação e ao imageamento da retina, e a segunda para a obtenção de soluções efetivas em sistemas imageadores, que prima pela diminuição da sensibilidade dos componentes aos erros que são introduzidos pelos processos de fabricação e montagem. Analisando os resultados obtidos com o protótipo, foram validados os sistemas e modelos propostos, que se tornaram parte integrante de um produto oftalmológico aprovado para a comercialização, o retinógrafo Kiron. / The fundamental objective of this work is to demonstrate how radiometric models and analysis of the limit of resolution can provide not only positive impacts to the optical project of high resolution fundus cameras, but also creates tools to perform an optimization of all the equipment, considering the limits imposed by international standards to ensure security to the patient regarding the equipment radiation emission. In the optical project in particular, the imaging and illuminating systems of the retina were developed, in which stands out two proposed methodologies: first, to eliminate the well known retro-reflections in the common optical assembly of the imaging and illuminating systems, and a second one that helps the optical designer to find effective solutions in imaging systems, focused in the reduction of the component sensitivity to the fabrication and assembly processes errors. Analyzing the results from the prototypes the systems and the models proposed were validated, becoming integrant part of an ophthalmic product approved for commercialization, the Kiron fundus camera.

In this thesis, studies on the applications of digital micro-mirror devices (DMD) to enhancement of digital optical microscope images are presented. This involves adaptation of the fast switching capability and high optical efficiency of DMD to control the spatial illumination of the specimen. The first study focuses on a method of using DMD to enhance the dynamic range of a digital optical microscope. Our adaptive feedback illumination control method generates a high dynamic range image through an algorithm that combines the DMD-to-camera pixel geometrical mapping and a feedback operation. The feedback process automatically generates an illumination pattern in an iterative fashion that spatially modulates the DMD array elements on a pixel-by-pixel level. Via experiment, we demonstrate a transmitted-light microscope system that uses precise DMD control of a DMD-based projector to enhance the dynamic range ideally by a factor of 573. Results are presented showing approximately 5 times the camera dynamic range, enabling visualization over a wide range of specimen characteristics. The second study presents a technique for programming the source of the spherical reference illumination in a digital in-line holographic microscope using DMD. The programmable point source is achieved by individually addressing the elements of a DMD to spatially control the illumination of the object located at some distance from the source of the spherical reference field. Translation of the ON-state DMD mirror element changes the spatial location of the point source and consequently generates a sequence of translated holograms of the object. The experimental results obtained through numerical reconstruction of translated holograms of Latex microspheres shows the possibility of expanding the field of view by about 263% and also extracting depth information between features in an object volume. The common challenges associated with the use of DMD in coherent and broadband illumination control in both studies are discussed.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

O principal intento deste trabalho é demonstrar como a combinação de resultados de modelos radiométricos e de análises do limite de resolução de imagens produzem impactos positivos não apenas no projeto óptico de retinógrafos de alta resolução, mas que também geram ferramentas que auxiliam na definição da arquitetura de todo o equipamento, considerando, inclusive, os limites impostos por normas internacionais para a segurança do paciente em relação a radiação emitida na realização dos exames. Particularmente ao projeto óptico, foram desenvolvidos os sistemas de iluminação e imageamento da retina, onde se destacam duas propostas de metodologias: a primeira para a implementação da técnica de eliminação das bem conhecidas retro-reflexões geradas no conjunto óptico que é comum à iluminação e ao imageamento da retina, e a segunda para a obtenção de soluções efetivas em sistemas imageadores, que prima pela diminuição da sensibilidade dos componentes aos erros que são introduzidos pelos processos de fabricação e montagem. Analisando os resultados obtidos com o protótipo, foram validados os sistemas e modelos propostos, que se tornaram parte integrante de um produto oftalmológico aprovado para a comercialização, o retinógrafo Kiron. / The fundamental objective of this work is to demonstrate how radiometric models and analysis of the limit of resolution can provide not only positive impacts to the optical project of high resolution fundus cameras, but also creates tools to perform an optimization of all the equipment, considering the limits imposed by international standards to ensure security to the patient regarding the equipment radiation emission. In the optical project in particular, the imaging and illuminating systems of the retina were developed, in which stands out two proposed methodologies: first, to eliminate the well known retro-reflections in the common optical assembly of the imaging and illuminating systems, and a second one that helps the optical designer to find effective solutions in imaging systems, focused in the reduction of the component sensitivity to the fabrication and assembly processes errors. Analyzing the results from the prototypes the systems and the models proposed were validated, becoming integrant part of an ophthalmic product approved for commercialization, the Kiron fundus camera.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Bancos de Tecidos de diversas regiões do mundo têm estocado cartilagens humanas obtidas de doadores post mortem para uso em diversos tipos de cirurgias reconstrutivas. Para garantir que tais tecidos não estejam contaminados, estes têm sido esterilizados com radiação ionizante. Entretanto, altas doses de radiação gama podem causar efeitos indesejáveis nos tecidos. No presente trabalho, avaliamos a viabilidade de utilizar duas técnicas, Tomografia por Coerência Óptica (OCT) e Termogravimetria (TGA), para identificar possíveis modificações estruturais causadas na cartilagem costal humana em decorrência dos métodos de preservação e doses de radiação ionizante utilizadas. As cartilagens obtidas de doadores cadavéricos foram congeladas a -70 ºC ou preservadas em glicerol. A seguir, as amostras foram irradiadas por fontes de 60Co com doses de 15, 25 e 50 kGy. Nos resultados de TGA verificamos que as cartilagens preservadas em glicerol e irradiadas com diferentes doses de radiação não apresentaram diferenças estatisticamente significantes quando comparadas ao grupo controle, no que tange a taxa de desidratação do tecido, sendo que o mesmo não ocorre com cartilagens congeladas a -70 ºC e irradiadas com doses de 15 kGy. Em relação ao uso da técnica de OCT, por meio do cálculo do coeficiente de atenuação óptica total, verificamos que doses de 15 kGy promovem a criação de ligações cruzadas entre as fibrilas de colágeno, corroborando os resultados de TGA. Ainda, os valores do coeficiente de atenuação óptica total são diretamente proporcionais à tensão de ruptura das cartilagens, o que nos possibilitará, em um futuro próximo, predizer a qualidade de um enxerto sem a necessidade de perda de material biológico, visto ser o OCT um método não destrutivo. Por meio das imagens de PS-OCT podemos verificar que as doses de radiação utilizadas para esterilizar as amostras não provocam danos à rede de colágeno a ponto de que sua birrefringência seja perdida. Assim, o TGA e OCT são técnicas que podem ser utilizadas por bancos de tecidos de forma a verificar a qualidade dos tecidos antes de serem transplantados em pacientes. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Um grande número de equipamentos utilizam sistemas ópticos ou eletro-ópticos em suas estruturas, dentre esses equipamentos tem-se os microscópios, telescópios, equipamentos médicos, câmeras de satélites, entre outros. Com isso a necessidade de métodos e ferramentas que auxiliem na determinação do desempenho e da qualidade dos sistemas ópticos é crescente. Um dos métodos mais utilizados para realizar a análise de sistemas ópticos é a determinação da Função de Transferência de Modulação (Modulation Transfer Function - MTF). A MTF representa uma verificação quantitativa e direta da qualidade da imagem, e, além disso, é um teste objetivo que pode ser utilizado em sistemas ópticos concatenados. Esse trabalho apresenta a implementação de um software, denominado de SMTF (Software Modulation Transfer Function), para cálculo da MTF de equipamentos eletro-ópticos. O software foi utilizado para realizar o cálculo da MTF do Retinógrafo Digital, Imageador Termal e Microscópio Cirúrgico Oftalmológico. A informação da MTF auxilia na análise do alinhamento e medição da qualidade óptica, e também define o limite de resolução dos sistemas ópticos, por meio do gráfico da MTF. Os resultados obtidos, com o Retinógrafo e o Imageador Termal, foram comparados com os valores teóricos adquiridos pelo Zemax, que é um software utilizado para desenvolvimento e análise de lentes ou conjuntos ópticos. Já para o Microscópio os resultados obtidos da MTF foram comparados com os resultados obtidos pela MTF medida do Microscópio marca Zeiss, considerado como padrão de qualidade de Microscópios Oftalmológicos. Os resultados obtidos demonstram que o software apresentou ótimo desempenho permitindo uma análise direta e objetiva do comportamento de sistemas ópticos. Com auxílio do software foi feito o alinhamento do Retinógrafo Digital e do Imageador Termal e foi verificada a qualidade da imagem do Microscópio Cirúrgico Oftalmológico. / A number of devices use optics or electro-optics in their structures, such as microscopes, telescopes, medical equipments, satellites cameras, among others. The need for methods and tools that assist in determining the performance and quality of optical systems is increasing. One of the methods most used to perform analysis of optical systems is to measure the Modulation Transfer Function (MTF). The MTF represents a direct and quantitative verification of the image quality, and moreover, it is an objective test that can be used in concatenated optical systems. This paper presents the implementation of software, called SMTF (Software Modulation Transfer Function), in order to calculate the MTF of electro-optical systems. The software was used for calculating the MTF of Digital Fundus Camera, Thermal Imager and Ophthalmologic Surgery Microscope. The information MTF aids the analysis of alignment and measurement of optical quality, and also defines the limit resolution of optical systems, from the graph of MTF. The results obtained with the Fundus Camera and de Thermal Imager were compared with the theorical values acquired by the Zemax, wich is a software used for analysis and development of optical assemblies or lenses. For the Microscope, the results were compared with MTF measured of Microscope Zeiss model, which is the quality standard of ophthalmological microscope. The results show that the software has a good performance by allowing a straightforward analysis of the behavior of optical systems. With the aid of the software was made to align the Fundus Camera and the Thermal Imager and the image quality of Surgical Microscope Ophthalmology was verified.

Um grande número de equipamentos utilizam sistemas ópticos ou eletro-ópticos em suas estruturas, dentre esses equipamentos tem-se os microscópios, telescópios, equipamentos médicos, câmeras de satélites, entre outros. Com isso a necessidade de métodos e ferramentas que auxiliem na determinação do desempenho e da qualidade dos sistemas ópticos é crescente. Um dos métodos mais utilizados para realizar a análise de sistemas ópticos é a determinação da Função de Transferência de Modulação (Modulation Transfer Function - MTF). A MTF representa uma verificação quantitativa e direta da qualidade da imagem, e, além disso, é um teste objetivo que pode ser utilizado em sistemas ópticos concatenados. Esse trabalho apresenta a implementação de um software, denominado de SMTF (Software Modulation Transfer Function), para cálculo da MTF de equipamentos eletro-ópticos. O software foi utilizado para realizar o cálculo da MTF do Retinógrafo Digital, Imageador Termal e Microscópio Cirúrgico Oftalmológico. A informação da MTF auxilia na análise do alinhamento e medição da qualidade óptica, e também define o limite de resolução dos sistemas ópticos, por meio do gráfico da MTF. Os resultados obtidos, com o Retinógrafo e o Imageador Termal, foram comparados com os valores teóricos adquiridos pelo Zemax, que é um software utilizado para desenvolvimento e análise de lentes ou conjuntos ópticos. Já para o Microscópio os resultados obtidos da MTF foram comparados com os resultados obtidos pela MTF medida do Microscópio marca Zeiss, considerado como padrão de qualidade de Microscópios Oftalmológicos. Os resultados obtidos demonstram que o software apresentou ótimo desempenho permitindo uma análise direta e objetiva do comportamento de sistemas ópticos. Com auxílio do software foi feito o alinhamento do Retinógrafo Digital e do Imageador Termal e foi verificada a qualidade da imagem do Microscópio Cirúrgico Oftalmológico. / A number of devices use optics or electro-optics in their structures, such as microscopes, telescopes, medical equipments, satellites cameras, among others. The need for methods and tools that assist in determining the performance and quality of optical systems is increasing. One of the methods most used to perform analysis of optical systems is to measure the Modulation Transfer Function (MTF). The MTF represents a direct and quantitative verification of the image quality, and moreover, it is an objective test that can be used in concatenated optical systems. This paper presents the implementation of software, called SMTF (Software Modulation Transfer Function), in order to calculate the MTF of electro-optical systems. The software was used for calculating the MTF of Digital Fundus Camera, Thermal Imager and Ophthalmologic Surgery Microscope. The information MTF aids the analysis of alignment and measurement of optical quality, and also defines the limit resolution of optical systems, from the graph of MTF. The results obtained with the Fundus Camera and de Thermal Imager were compared with the theorical values acquired by the Zemax, wich is a software used for analysis and development of optical assemblies or lenses. For the Microscope, the results were compared with MTF measured of Microscope Zeiss model, which is the quality standard of ophthalmological microscope. The results show that the software has a good performance by allowing a straightforward analysis of the behavior of optical systems. With the aid of the software was made to align the Fundus Camera and the Thermal Imager and the image quality of Surgical Microscope Ophthalmology was verified.

Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnés. / Extreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given.