En imagerie numérique, les approches «problèmes inverses» régularisées reconstruisent une information d'intérêt à partir de mesures et d'un modèle de formation d'image. Le problème d'inversion étant mal posé, mal conditionné et le modèle de formation d'image utilisé peu contraint, il est nécessaire d'introduire des a priori afin de restreindre l'ambiguïté de l'inversion. Ceci permet de guider la reconstruction vers une solution satisfaisante. Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d'algorithmes de reconstruction d'hologrammes numériques, basés sur des méthodes d'optimisation en grande dimension (lisse ou non-lisse). Ce cadre général a permis de proposer différentes approches adaptées aux problématiques posées par cette technique d'imagerie non conventionnelle : la super­-résolution, la reconstruction hors du champ du capteur, l'holographie «couleur» et enfin la reconstruction quantitative d'objets de phase (c.a.d. transparents). Dans ce dernier cas, le problème de reconstruction consiste à estimer la transmittance complexe 2D des objets ayant absorbé et/ou déphasé l'onde d'éclairement lors de l'enregistrement de l'hologramme. Les méthodes proposées sont validées à l'aide de simulations numériques puis appliquées sur des données expérimentales issues de l'imagerie sans lentille ou de la microscopie holographique en ligne (imagerie cohérente en transmission, avec un objectif de microscope). Les applications vont de la reconstruction de mires de résolution opaques à la reconstruction d'objets biologiques (bactéries), en passant par la reconstruction de gouttelettes d'éther en évaporation dans le cadre d'une étude de la turbulence en mécanique des fluides. / In Digital Imaging, the regularized inverse problems methods reconstruct particular information from measurements and an image formation model. With an inverse problem that is ill-posed and ill­conditioned, and with the used image formation mode! having few constraints, it is necessary to introduce a priori conditions in order to restrict ambiguity for the inversion. This allows us to guide the reconstruction towards a satisfying solution. The works of the following thesis delve into the development of reconstruction algorithms of digital holograms based on large-scale optimization methods (smooth and non-smooth). This general framework allowed us to propose different approaches adapted to the challenges found with this unconventional imaging technique: the super-resolution, reconstruction outside the sensor's field, the color holography and finally, the quantitative reconstruction of phase abjects (i.e. transparent). For this last case, the reconstruction problem consists of estimating the complex 2D transmittance of abjects having absorbed and/or dephased the light wave during the recording of the hologram. The proposed methods are validated with the help of numerical simulations that are then applied on experimental data taken from the lensless imaging or from the in-line holographie microscopy (coherent imaging in transmission, with a microscope abject glass). The applications range from the reconstruction of opaque resolution sights, to the reconstruction of biological objects (bacteria), passing through the reconstruction of evaporating ether droplets from a perspective of turbulence study in fluid mechanics.

Les systèmes micro-opto-électro-mécaniques (MOEMS) représentent un atout considérable pour les technologies de demain et démontrent régulièrement leur capacité d'innovation dans tous les domaines de recherches. L'astronomie en profite déjà à travers l'optique adaptative et leur versatilité a récemment permis de développer un nouveau spectro-imageur BATMAN qui verra sa première lumière au Telescopio Nazionale Galileo (TNG) à La Palma (Iles Canaries). Le code de contrôle du MOEMS permettant l'automatisation de l'acquisition des spectres a été le point de départ de mon travail au LAM.La partie principale de ce manuscrit traite d'une seconde application imaginée en associant les MOEMS à un matériau photochromique développé à Polytecnico di Milano (Italie) qui peut prendre deux états différenciés par leur transparence. Le MOEMS, initialement utilisé pour la projection d'image, permet de moduler la dose d'énergie lumineuse projeté sur la plaque photochromique qui répond en s'éclaircissant progressivement. Ce procédé permet donc d'enregistrer des images en niveau de gris sur la plaque et notamment des hologrammes générés par ordinateur (CGH) utilisés en métrologie optique. Actuellement, les CGHs utilisés sont binaires, mais notre procédure permet d'enregistrer des CGHs quantifiés en amplitude avec une résolution de 13,68 µm et une précision inférieure à 1% en terme de transparence malgré un éclairage peu homogène. La quantification des CGHs de type Fresnel et Fourier ont été calculés, réalisés et testés avec succès. Deux nouveaux algorithmes de Fourier ont étaient imaginés, réalisés et ont montrés des performances très supérieurs au code usuel de Lee qui est un codage binaire. / Micro-opto-electro-mecanical systems (MOEMS) are primordial tools for future applications in several scientific fields as telecommunications or image display. Astronomy takes also advantage of their great adaptatbility thanks to the development of adaptative optics; a new spectro-imager called BATMAN has recently been develloped to be installed at Telescopio Nazionale Galileo (TNG) in the Canaries Islands. The control of the MOEMS allowing computerizing this processus has been the starting point of my work at the LAM.The main part of this manuscript deals with another application conceived thanks to the association of the characteristics of MOEMS and photosensitive materials developed at Politecnico di Milano (Italy). These materials can be put in two states differentiated by their transparency. The MOEMS, initially used to display images, allows controlling the dose of light projected on the photocrhomic plate which reacts by becoming more and more transparent. This process permit to record Computer Generated Holograms (CGHs) in grayscale which are used in optical metrology. Today, binary CGHs are used but our process allows to record amplitude quantified CGHs with a resolution of 13.68 µm and a precision better than 1% in term of transparency, even with a non homogeneous illumination beam. Comparative studies have shown advantages of quantified CGHs of Fresnel and Fourier families. Two new Fourier algorithms have been conceived thanks to use of the third dimension offered by the control of the transparency. They have been realized and tested succesfully, and have shown much better performances than the current binary coding, so called Lee algorithm.

Technical advancements in 3D projection has recently made presentation of holographic images possible by using self-contained devices. Instead of using a screen to present objects, glasses like Microsoft HoloLens can render objects that appear as holograms around the user. SAAB Defence and Security are evaluating if this new technology can complement their command and control system 9LV Combat Management System. This degree project is a study of the technical possibilities and limitations of introducing holographic display of sonar tracks used for detecting submarines or sea mines. The project was started with a background study into what methods are available to render 3D underwater terrain. A basic hologram representing a map of littoral terrain was constructed and simulated sonar tracks from the command and control system was mapped into the terrain. Implementation of the application was done using the Unity 3D game engine that has built in support for the HoloLens. Performance evaluation was done using Unity3D profiler that is an extensive application evaluation tool that maintain overhead to a minimum. An evaluation of HoloLens usage onboard two different boats was done to conclude if the equipment can be used in the normal 9LV CMS operating environment. Results show that it is possible to successfully use holographic display for sonar tracks, but due to limited processing power of the HoloLens terrain detail will be reduced. Holograms are orientated by combining camera spatial mapping and an inertial measurement unit. Usage tests onboard a vessel indicates that holograms will unexpectedly move and the HoloLens will loose spatial mapping due to acceleration forces caused by seastate. / Tekniska framsteg inom presentation av 3D-objekt har nyligen möjliggjort användning av hologram presenterade med portabel utrustning. Istället för att använda en vanlig skärm kan glasögon, som Microsoft HoloLens, rendera objekt som användaren upplever i sin omgivning som hologram. SAAB Defence and Security utvärderar om den nya teknologin kan användas som ett komplement till deras ledningssystem 9LV Combat Management System. Det här examensarbetet är en studie av de tekniska möjligheter och begränsningar som finns för att bygga en applikation som visar sonar-information som ett hologram, främst att användas för ubåtsjakt och upptäckt av sjöminor. Projektet inleddes med en bakgrundsstudie om vilka metoder som finns tillgängliga för att rendera en 3D-karta av en havsbotten. En enkel applikation med en karta som föreställer en del av skärgården tas fram med simulerad sonar-information från ledningssystemet inlagt i kartan. Implementationen av applikationen gjordes med spelmotorn Unity3D som har inbyggt stöd för Microsoft HoloLens. Prestandautvärdering genomfördes genom att använda ett inbyggt profileringsverktyg i Unity3D som har liten påverkan på prestandan. Utvärdering av möjlig användningsmiljö gjordes genom att testa utrustningen ombord på två olika båtar för att avgöra om HoloLens kan användas i 9LV CMS normala operativa förhållanden. Resultaten visar att det är möjligt att använda holografisk visning för sonar-data men upplösningen av terrängen för kartan är något låg på grund av den begränsade beräkningskraften i Microsoft HoloLens. Hologram i Microsoft HoloLens orienteras genom att kombinera en djupseende kamera med en intern referensenhet. Användningstester ombord på båt visar på att vid accelerationer som uppkommer av sjöhävning tappar HoloLensen rumsuppfattningen tillfälligt och stoppar renderingen av hologrammet.

[ES] Los ultrasonidos se han empleado desde los años 90 para el tratamiento de múltiples patologías gracias a su carácter no invasivo y no ionizante, desde el tratamiento localizado del cáncer hasta terapias neurológicas. La focalización de estas ondas de presión y la conformación del haz ha sido un problema que desde varias perspectivas se ha intentado abordar, con el uso de lentes focalizadoras, transductores focalizados y los más sofisticados sistemas phased-array compuestos por múltiples transductores con control electrónico de amplitud y fase. Estos sistemas presentan varios inconvenientes, como el escaso control del haz que ofrecen los transductores focalizados, con un foco fijo y sin control de las posibles distorsiones del campo que puede introducir el medio, o el elevado coste derivado de la compleja electrónica de los sistemas phased-arrays, aunque proporcionan un mejor control del foco y compensación de aberraciones. La revolucionaria idea de los hologramas acústicos como elementos pasivos impresos con tecnología 3D llegó como una alternativa de bajo coste a los previos sistemas. En primer lugar se describió su uso en medios homogéneos para generar las más diversas imágenes acústicas, pero pronto se empezó a estudiar su viabilidad para focalizar haces de ultrasonidos en el interior del cerebro, resultando ser muy útiles en la corrección de las aberraciones que el cráneo introduce en el frente de ondas. Las lentes holográficas son capaces de codificar tanto el campo que se desea generar como las distorsiones de fase que puede introducir el medio en el que se propagan los ultrasonidos. En esta tesis se estudia el diseño de hologramas acústicos y su aplicación en el ámbito biomédico. La tesis puede ser dividida en tres grandes partes: una primera en la cual se describen nuevos métodos para el diseño de lentes holográficas, una segunda en la que se emplean los hologramas ultrasónicos para generación de hipertermia, y una tercera en la que se estudia su uso para terapias transcraneales. En la primera parte de la tesis se investiga el diseño de lentes holográficas para transductores con geometría esférica como alternativa a las lentes planas ya descritas previamente. Además, se estudia un nuevo método para codificar el campo acústico en las lentes de forma que se mejore la imagen producida por ellas, ajustándose más a la deseada. En la segunda parte se estudia cómo es el patrón térmico que genera el campo acústico producido por una lente holográfica cuando se aplica sobre un material con absorción acústica y cómo afecta la difusión térmica a éste. Esta difusión tiene como efecto que el patrón térmico con el tiempo no se parezca al acústico, y que las lentes deban tener en cuenta este proceso en su diseño para aplicaciones térmicas, especialmente si se desean regiones uniformes de calentamiento. Se demuestra cómo la hipertermia generada por ultrasonidos es más dañina en esferoides de células tumorales que la hipertermia tradicional. En la tercera parte se demuestra la viabilidad de los hologramas ultrasónicos para tratamientos neurológicos, aplicados desde la ventana temporal para reducir el eventual calentamiento del hueso que se produce. Además, se estudia en experimentos ex-vivo el campo acústico producido por lentes holográficas a través de un cráneo de macaco, aplicando técnicas de proyección holográfica para obtener aún más información de estas medidas y se diseña un sistema para aplicar estos hologramas en experimentos in-vivo con macacos y comprobar la viabilidad de la apertura de la barrera hematoencefálica de forma localizada. Esta tesis se enfoca a un mejor diseño y entendimiento de las emergentes lentes holográficas, así como a estudiar su validez en aplicaciones biomédicas de gran interés como son la hipertermia, la neuromodulación y la apertura de la barrera hematoencefálica para la administración de fármacos en el cerebro. / [CA] Els ultrasons s'han emprat des dels anys 90 per al tractament de múltiples patologies gràcies al seu caràcter no invasiu i no ionitzant, des del tractament localitzat del càncer fins a teràpies neurològiques. La focalització d'estes ones de pressió i la conformació del feix acústic ha sigut un problema que des de diverses perspectives s'ha intentat abordar, amb l'ús de lents focalizadores, transductors focalitzats i els més sofisticats sistemes phased-array compostos per múltiples transductors amb control individual d'amplitud i fase. Estos sistemes presenten diversos inconvenients, com l'escàs control del feix que ofereixen els transductors focalitzats, amb un focus fix i sense control de les possibles distorsions del camp que pot introduir el medi, o l'elevat cost derivat de la complexa electrònica dels sistemes phased-array, encara que proporcionen un millor control del focus i compensació d'aberracions. La revolucionària idea dels hologrames acústics com a elements passius impresos amb tecnologia 3D va arribar com una alternativa de baix cost als previs sistemes. En primer lloc es va descriure el seu ús en medis homogenis per a generar les més diverses imatges acústiques, però prompte es va començar a estudiar la seua viabilitat per a focalitzar feixos d'ultrasons a l'interior del cervell, resultant ser molt útils en la correcció de les aberracions que el crani introduïx en el front d'ones. Les lents hologràfiques són capaces de codificar tant el camp que es desitja generar com les distorsions de fase que pot introduir el medi en el qual es propaguen els ultrasons. En esta tesi s'estudia el disseny d'hologrames acústics i la seua aplicació en l'àmbit biomèdic. La tesi pot ser dividida en tres grans parts: una primera en la qual se descriuen nous mètodes per al disseny de lents hologràfiques, una segona en la qual s'empren els hologrames ultrasònics per a generació d'hipertèrmia i una tercera en la qual s'estudia el seu ús per a teràpies transcranials. En la primera part de la tesi s'investiga el disseny de lents hologràfiques per a transductors amb geometria esfèrica com a alternativa a les lents planes ja descrites prèviament. A més, s'estudia un nou mètode per a codificar el camp acústic en les lents de manera que es millore la imatge produïda per elles, ajustant-se més a la desitjada. En la segona part s'estudia com és el patró tèrmic que genera el camp acústic produït per una lent hologràfica quan s'aplica sobre un material absorbent i com afecta la difusió tèrmica a aquest. Esta difusió té com a efecte que el patró tèrmic amb el temps no se semble a l'acústic, i les lents hagen de tindre en compte aquest procés en el seu disseny per a aplicacions tèrmiques, especialment si es desitgen regions uniformes de calfament. Es demostra com la hipertèrmia generada per ultrasons és més nociva en esferoides tumorals que la hipertèrmia tradicional. En la tercera part es demostra la viabilitat dels hologrames ultrasònics per a tractaments neurològics, aplicats des de la finestra temporal per a reduir el calfament de l'os que es produïx. A més, s'estudia en experiments ex-vivo el camp acústic produït per lents hologràfiques a través d'un crani de macaco, aplicant tècniques de projecció hologràfica per a obtindre encara més informació d'estes mesures i es dissenya un sistema per a aplicar estos hologrames en experiments in-vivo amb macacos i comprovar la viabilitat de l'obertura de la barrera hematoencefàlica de forma localitzada. Esta tesi s'enfoca a un millor disseny i enteniment de les emergents lents hologràfiques, així com en l'estudi de la seua validesa en aplicacions biomèdiques de gran interès com són la hipertèrmia, la neuromodulació i l'obertura de la barrera hematoencefàlica per a l'administració de fàrmacs en el cervell. / [EN] Ultrasound has been used since the 1990s for the treatment of multiple pathologies thanks to its non-invasive and non-ionising nature, from localised cancer treatment to neurological therapies. The focusing of these pressure waves and beam shaping has been a problem that has been tackled from various perspectives, with the use of focusing lenses, focused transducers and the more sophisticated phased-array systems composed of multiple transducers with electronic amplitude and phase control. These systems have several drawbacks, such as the poor beam control offered by focused transducers, with a fixed focus and no control of possible field distortions introduced by the medium, or the high cost due to the complex electronics of phased-array systems, although they provide better focus control and aberration compensation. The revolutionary idea of acoustic holograms as passive 3D printed elements came as a low-cost alternative to these previous systems. They were first described to be used in homogeneous media to generate a wide range of acoustic images, but their feasibility for focusing ultrasound beams inside the brain was soon studied and proved to be very useful in correcting the aberrations that the skull introduces into the wavefront. Holographic lenses are capable of encoding both the field to be generated and the phase distortions that may be introduced by the medium in which the ultrasound propagates. This thesis studies the design of acoustic holograms and their application in the biomedical field. The thesis can be divided into three main parts: a first one in which new methods for the design of holographic lenses are described, a second one in which ultrasonic holograms are used for hyperthermia generation, and a third one in which their use for transcranial therapies is studied. The first part of the thesis investigates the design of holographic lenses for transducers with spherical geometry as an alternative to the previously described flat lenses. In addition, a new method is studied to encode the acoustic field in the lenses in order to improve the image produced by them, adjusting it more closely to the desired image. The second part studies the thermal pattern generated by the acoustic field produced by a holographic lens when it is applied to an absorbing material and how thermal diffusion affects it. This diffusion has the effect that the thermal pattern over time does not resemble the acoustic pattern, and lenses must take this process into account in their design for thermal applications, especially if uniform regions of heating are desired. The method is tested on multiple tumour spheroids, and results show that ultrasound-mediated hyperthermia is shown to be more damaging to tumour cell spheroids than traditional hyperthermia. The third part demonstrates the feasibility of ultrasonic holograms for neural treatments, applied from the temporal window to reduce the bone heating that occurs. In addition, the acoustic field produced by holographic lenses through a macaque skull is studied in ex-vivo experiments, applying holographic projection techniques to obtain even more information from these experiments. A system is designed to apply these holograms in in-vivo experiments with macaques to test the feasibility of opening the blood-brain barrier in a localized manner. This thesis focuses on a better design and understanding of the emerging holographic lenses, as well as on studying their validity in biomedical applications of great interest such as hyperthermia, neuromodulation and the opening of the blood-brain barrier for drug delivery to the brain. / Andrés Bautista, D. (2024). Acoustic Holograms for Hyperthermia and Transcranial Ultrasound [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205788

Dans les systèmes optiques modernes, l'importance des composants holographiques ne cesse d'augmenter. Parmi les matériaux holographiques disponibles, la gélatine bichromatée se distingue par la très bonne qualité des hologrammes obtenus. Cette thèse décrit la mise au point de techniques de fabrication et de caractérisation de composants holographiques en gélatine bichromatée. L'interprétation des mesures de caractérisation s'appuie sur une modélisation approfondie de la diffraction par des structures périodiques: une nouvelle méthode de résolution de la théorie d'ondes couplées, plus stable numériquement que les précédentes, est proposée. De plus, la théorie de la diffraction par des réseaux est étendue a des cas importants de restitution en lumière quasi-monochromatique. Les dispositifs expérimentaux développés ont permis l'étude et la réalisation de quatre nouveaux types d'hologrammes: réseaux pour la compression temporelle d'impulsions ultra brèves, hologramme synthétique séparateur et uniformiseur de faisceau laser, lentille holographique pour diode laser infrarouge et hologramme en ligne pour la réplication globale de disques compacts.

Wavelength division multiplexing (WDM) is essential for further enhancement of the transmission capacities of optical telecommunication systems. Key devices in WDM networks are multiplexing/demultiplexing components, which enable the combination/separation of several carrier waves with different wavelengths for the purpose of simultaneous transmission through one optical fibre. These components can be realized using Bragg diffraction from volume holographic gratings. Especially reflection holograms provide a pronounced wavelength selectivity which makes them attractive for free-space WDM applications. Holograms can be stored permanently in photorefractive lithium niobate crystals by the method of Thermal Fixing. Heating of the crystal during or after the recording process and subsequent development by homogeneous illumination at room temperature create nonvolatile holograms. The recording and development processes of Thermal Fixing in iron- and copper-doped lithium niobate crystals were investigated. Macroscopic Gaussian-shaped intensity patterns were used to analyse the origin of the fixing mechanism. Spatially resolved absorption measurements were performed to determine the concentration profiles of electron traps (Fe II/III) and protons. Results of computer simulations were compared with experimental results, which showed that protons can be found to work as compensators during hologram recording at temperatures around 180 degree C. Nevertheless thermal fixing without protons was possible, another compensation mechanism stood in. The obtained refractive-index changes were due to the electro-optic effect, other contributions could be neglected. With this detailed knowledge about thermal fixing, a two-channel demultiplexing unit was built by superposition of two thermally fixed reflection holograms in an iron-doped lithium niobate crystal. For this purpose a special two-beam interference setup with precisely adjustable writing angles was arranged in a vacuum chamber to eliminate thermally induced phase disturbances of the holographic recording procedure. Continuous development of the holograms by incoherent light was necessary. In the dark, the enhanced dark conductivity of the crystal used gave rise to a hologram degradation within about one day. Large diffraction efficiencies were attained (intensity losses between 2.3 and 5.2 dB only) uilizing crystals with high-quality polished surfaces. The crosstalk supression of the realized demultiplexer was > 25 dB, which is comparable with the performance of other multiplexing techniques like fibre Bragg gratings or arrayed-waveguide gratings. The low polarization dependence of the demultiplexer can be improved by superposition of two holograms for each channel.