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In optical imaging system, misfocus occurs because of a nonaccuate focal length. In recent years, the improvement for misfocus problem has caught much attention in researches. This thesis is aimed to explore the misfocus improvement and analysis. Lens plays an important role in optical image system. It can focus light at one point. The distance between the focal point and the lens is called focal length. Focal length is determined by the object distance and the image distance. As light is focused farther out of the focal point, the image will blur. It is called misfocus. The general method to improve misfocus image is done by post-processing. In 1995, wave-front coding was first proposed by Dowski and Cathey. They placed the phase mask in front of the lens, and then emphasized on the processing. In recent years, more and more researches work on this field. In this thesis, a one ring phase mask is designed by modulating the phase difference in the ring to make the improvement better. Research before wave-front coding in order to achieve a closed optical transfer function for different degrees of misfocus, but we hope the phase mask can provide immediate improvement. This idea can be applied to real-time video monitoring.

Este trabalho tem por objetivo a investigação do comportamento de equipamentos de radiodiagnóstico em termos da qualidade da imagem produzida e a subseqüente aplicação desses resultados na otimização do desempenho de esquemas computacionais de auxílio ao diagnóstico, também conhecidos como esquemas CAD (do inglês, Computer-Aided Diagnosis). A principal meta consiste no desenvolvimento de técnicas de pré-processamento para imagens mamográficas digitalizadas que as realçasse de acordo com as características e limitações dos equipamentos utilizados na sua aquisição. A proposta está dividida em duas etapas. Na primeira, foram determinadas as características relativas tanto à resolução espacial como à resolução de contraste de diversos equipamentos mamográficos, avaliadas respectivamente pelas funções de transferência óptica e espectros de Wiener do ruído. Isto permitiu, numa segunda etapa, o desenvolvimento de um filtro digital específico para o pré-processamento de diferentes conjuntos de mamogramas digitais, separados de acordo com os equipamentos utilizados no processo de aquisição. Dessa forma, cada imagem mamográfica teve sua qualidade melhorada de acordo com as características do equipamento que a gerou, determinadas na primeira etapa. Essas imagens, depois de realçadas, foram utilizadas em um esquema CAD previamente desenvolvido, onde pôde ser observada uma melhora em até 12% no seu desempenho quando comparado aos resultados obtidos com imagens mamográficas não realçadas. / The purpose of this work is to evaluate the quality of radiological equipment and their images in order to use these evaluations to improve the performance of a computer-aided diagnosis (CAD) scheme. The mean idea is about the development of image processing techniques to enhance digital mammograms according to the characteristics of the X-ray unit used for image acquisition. This work is basically divided in two parts. In the first one, it were determined the characteristics related to spatial and contrast resolution of several mammographic equipment, evaluated respectively from the optical transfer function and noise Wiener spectrum. This evaluation allowed, in a second part, the development of a preprocessing technique to enhance different set of digital mammographic images, gathered according to the equipment used on its acquisition process. Thus, each mammographic image had its quality improved in conformity with the characteristics of the equipment used on its acquisition, determined in the first part of this work. These images, after the enhancement process, were used on a previously developed CAD scheme. It was observed an improvement of 12% on the CAD performance using pre-processed mammograms compared to the results obtained when using non-enhanced mammographic images.

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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.

The ongoing merger of the digital and optical components of the modern microscope is creating opportunities for new measurement techniques, along with new challenges for optical modelling. This thesis investigates several such opportunities and challenges which are particularly relevant to biomedical imaging. Fourier optics is used throughout the thesis as the underlying conceptual model, with a particular emphasis on three--dimensional Fourier optics. A new challenge for optical modelling provided by digital microscopy is the relaxation of traditional symmetry constraints on optical design. An extension of optical transfer function theory to deal with arbitrary lens pupil functions is presented in this thesis. This is used to chart the 3D vectorial structure of the spatial frequency spectrum of the intensity in the focal region of a high aperture lens when illuminated by linearly polarised beam. Wavefront coding has been used successfully in paraxial imaging systems to extend the depth of field. This is achieved by controlling the pupil phase with a cubic phase mask, and thereby balancing optical behaviour with digital processing. In this thesis I present a high aperture vectorial model for focusing with a cubic phase mask, and compare it with results calculated using the paraxial approximation. The effect of a refractive index change is also explored. High aperture measurements of the point spread function are reported, along with experimental confirmation of high aperture extended depth of field imaging of a biological specimen. Differential interference contrast is a popular method for imaging phase changes in otherwise transparent biological specimens. In this thesis I report on a new isotropic algorithm for retrieving the phase from differential interference contrast images of the phase gradient, using phase shifting, two directions of shear, and non--iterative Fourier phase integration incorporating a modified spiral phase transform. This method does not assume that the specimen has a constant amplitude. A simulation is presented which demonstrates good agreement between the retrieved phase and the phase of the simulated object, with excellent immunity to imaging noise.

The ongoing merger of the digital and optical components of the modern microscope is creating opportunities for new measurement techniques, along with new challenges for optical modelling. This thesis investigates several such opportunities and challenges which are particularly relevant to biomedical imaging. Fourier optics is used throughout the thesis as the underlying conceptual model, with a particular emphasis on three--dimensional Fourier optics. A new challenge for optical modelling provided by digital microscopy is the relaxation of traditional symmetry constraints on optical design. An extension of optical transfer function theory to deal with arbitrary lens pupil functions is presented in this thesis. This is used to chart the 3D vectorial structure of the spatial frequency spectrum of the intensity in the focal region of a high aperture lens when illuminated by linearly polarised beam. Wavefront coding has been used successfully in paraxial imaging systems to extend the depth of field. This is achieved by controlling the pupil phase with a cubic phase mask, and thereby balancing optical behaviour with digital processing. In this thesis I present a high aperture vectorial model for focusing with a cubic phase mask, and compare it with results calculated using the paraxial approximation. The effect of a refractive index change is also explored. High aperture measurements of the point spread function are reported, along with experimental confirmation of high aperture extended depth of field imaging of a biological specimen. Differential interference contrast is a popular method for imaging phase changes in otherwise transparent biological specimens. In this thesis I report on a new isotropic algorithm for retrieving the phase from differential interference contrast images of the phase gradient, using phase shifting, two directions of shear, and non--iterative Fourier phase integration incorporating a modified spiral phase transform. This method does not assume that the specimen has a constant amplitude. A simulation is presented which demonstrates good agreement between the retrieved phase and the phase of the simulated object, with excellent immunity to imaging noise.

Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T16:14:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leao_TiagoFreireCarneiro_M.pdf: 2505362 bytes, checksum: 6d6b07198f62fd7206b28e629cc5ba41 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Novas tecnologias e sistemas de detecção de radiação para a geração de imagens radiográficas odontológicas vêm sendo disponibilizados como alternativa aos filmes radiográficos. Sistemas baseados em tecnologia do tipo PSPL parecem superar algumas das restrições encontradas nos sistemas baseados em tecnologia CCD, tais como volume do detector, cabos de conexão, tamanho limitado da imagem e limitação da latitude. É importante que seja possível comparar sistemas de imagem concorrentes (diferentes tecnologias ou diferentes fabricantes com mesma tecnologia), utilizando ferramentas e protocolos de controle e certificação de qualidade. Foi desenvolvido um pacote computacional e um conjunto de simuladores e foi realizada a análise de dois sistemas comerciais baseados na tecnologia PSPL, de forma a validar o sistema desenvolvido. O programa desenvolvido permite obter e analisar: curva sensitométrica, função de transferência de modulação (MTF), densidade espectral de potência (NPS), quanta equivalente de ruído (NEQ) e eficiência na detecção de quanta (DQE). Os resultados mostraram que o pacote computacional e o conjunto de simuladores permitem realizar o controle de qualidade de sistemas de radiografia digital odontológica de maneira quantitativa e objetiva, facilitando a análise comparativa entre diferentes sistemas comerciais. Palavras-chave: Radiologia digital odontológica, controle de qualidade em radiodiagnóstico, curva sensitométrica, detecção equivalente de quanta, função de transferência de modulação, densidade espectral de ruído, quanta equivalente de ruído. / Abstract: New systems and technologies for radiation detection intended for dental radiology have become available as an alternative to dental radiographic film. Systems based on PSPL technology seems to overcome some of the restrictions of systems based on CCD technology such as the bulky detector, connecting wire, limited image size and limited exposure latitude. It is important that competing imaging systems can be compared (different technologies or different manufacturers of the same technology) by means of quality control tools and quality certification protocols. A software package and a set of specific phantoms were developed and the analyses of two competing PSPL systems were conducted to validate the developed system. The software allows the user to obtain and analyze: the characteristic curve, modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), noise equivalent quanta (NEQ) and detective quantum efficiency (DQE). The results have shown that the developed software and phantom set allow quality control of digital dental radiology systems in a very objective and quantitative way, facilitating comparative analysis of competing commercial systems. Keywords: Digital dental radiology, quality assurance in radiodiagnostic, characteristic curve, detective quantum efficiency, modulation transfer function, noise power spectrum, noise equivalent quanta. / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

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.

A presente tese demonstra, a partir da avaliação convencional pelo método das Funções de Transferência de sistemas de imagem radiológica, que é necessário obter imagens de fenda em diversas orientações no campo para que essa análise tenha um significado mais real no caso de sistemas não isotrópicos. Isso provém da não linearidade na variação entre as FTMs obtidas para diversas direções 0 e 90&#176C relativas ao eixo do tubo de raios-X. Essa verificação, entretanto, representa um sério problema prático, pois indica um aumento no grau de complexidade de um método que, embora considerado o mais preciso pela maioria dos pesquisadores, tem sido utilizado apenas por laboratórios muito bem equipados. Assim, visando solucionar esse problema, esta tese propõe um novo método de simulação por computador que calcula a FEL e a FTM devidas ao ponto focal, dispensando, portanto, todo o complexo aparato experimental convencionalmente utilizado, o que contribui para tornar acessível à avaliação pelas funções de transferência a qualquer unidade radiológica. Por fim, faz parte desse trabalho também uma investigação do significado físico das variações registradas entre as FTMs e um estudo formal desenvolvido acerca dos conceitos da característica de campo e da magnificação lateral. / From the conventional evaluation by the radiological systems Transfer Functions, this work shows that it is necessary to obtain slit images at several field orientations so that this annalysis has a more real significance for non-isotropic systems. This is achieved from the non-linearity on the variations among the MTFs obtained in several directions between 0 and 90&#176C relative to the X-ray tube axis. This notification, however, represents a serious practical matter, because it shows an increase on the complexity of a method which has been used just by well structured laboratories, although many researchers have considered it the most accurate. Hence, in order to solve this problem, we present a new computer simulation method which calculates the LSF and the MTF due to the focal spot, without all the conventional complex experimental apparatus. This makes the evaluation by the transfer functions suitable to any radiological unit. Finally, it is also part of this work an investigation of the physical meaning of the variations among the MTFs and a formal study about the field characteristics and the lateral magnification concepts.