A miniaturized spatial light modulator (SLM)-based structured-light illumination module with optical fiber input is designed to generate a coded 256 x 256 spots pattern for 3-D areal mapping applications. The projector uses the light from a He-Ne laser coupled to a polarization-maintaining (PM) fiber to illuminate a specially made hologram so that four virtual point sources are regenerated. The interference pattern of the four sources are filtered and modulated by an SLM. The output intensity can thus be encoded to form any arbitrary pattern through the electronic input applied to the SLM with a high speed. In this thesis, a complete optical diffraction analysis of the system is presented to provide guidelines for the optimal design of the system parameters. Through the theoretical analysis for square beam array generation, the important parameters for fabricating a hologram are given. The final system optical design and arrangement based on optical analysis are described. The detailed opto-mechanical construction of the LIM and the associated alignment, the computer simulation and the preliminary test results of the developed LIM are also provided. / Master of Science

Volume phase holographic (VPH) gratings have been designed for use in many areas of science and technology such as optical communication, medical imaging, spectroscopy and astronomy. The goal of this dissertation is to design a volume phase holographic grating that provides diffraction efficiencies of at least 70% for the entire visible wavelengths and higher than 90% for red, green, and blue light when the incident light is unpolarized. First, the complete design, simulation and optimization of the volume hologram are presented. The optimization is done using a Monte Carlo analysis to solve for the index modulation needed to provide higher diffraction efficiencies. The solutions are determined by solving the diffraction efficiency equations determined by Kogelnik's two wave coupled-wave theory. The hologram is further optimized using the rigorous coupled-wave analysis to correct for effects of absorption omitted by Kogelnik's method. Second, the fabrication or recording process of the volume hologram is described in detail. The active region of the volume hologram is created by interference of two coherent beams within the thin film. Third, the experimental set up and measurement of some properties including the diffraction efficiencies of the volume hologram, and the thickness of the active region are conducted. Fourth, the polarimetric response of the volume hologram is investigated. The polarization study is developed to provide insight into the effect of the refractive index modulation onto the polarization state and diffraction efficiency of incident light.

We apply the techniques of digital holography to obtain microscopic 3D images of biological cells. Both the amplitude and phase images are obtained from a single hologram, with approximately 1 [mu]m lateral and 10 nm longitudinal resolution. The results are combined with previous experiments resolving the 2 [pi] ambiguity to produce continuous phase images of the samples.

<p>Detta examensarbete utgår ifrån en artikel i vilken en metod för att skapa holografisk video beskrivs. Syftet med arbetet är att återskapa denna metod. Metoden bygger på projicering av hologram med hjälp av delar från en projektor, en laser och några linser.</p><p>Först görs en litteraturstudie för att få förståelse över hur metoden fungerar. Här behandlas hur ögat ser djup och vilka olika typer av displayer det finns för att återge tredimensionella holografiska bilder. Vidare beskrivs skillnaden mellan optisk och datorgenererad holografi. Detta arbete hanterar enbart datorgenererad holografi.</p><p>Diffraktion, böjning av ljusstrålar och interferens mellan ljusstrålar ligger som grund för metoden att skapa holografiska bilder. I optisk holografi låter man ljusstrålar från ett objekt och en referensstråle interferera med varandra. Deras interferensmönster fångas upp på en fotografisk film. Ett hologram av objektet kan därefter rekonstrueras genom att belysa den fotografiska filmen med samma referensstråle.</p><p>För att återge tredimensionella holografiska bilder så behövs en SLM (”Spatial Light Modulator”). Den SLM som används här är Texas Instruments DLP (”Digital Light Processing”). Denna återfinns i DLP-projektorer i vilken huvudkomponenten är en DMD (”Digital Micromirror Device”). En DMD är ett datorchip bestående av mikroskopiska små speglar i ett rutmönster. DMD:n belyses i projektorn av en lampa och här av en laser. Vardera mikrospegel kan vinklas mot resp. från ljuskällan och därigenom föra sitt lilla ljusknippe vidare eller inte.</p><p>Datorgenererad holografi simulerar optisk holografi, genom en fouriertransform. Denna transform har som indata en numerisk beskrivning av ett objekt och som utdata ett interferensmönster som matas in i DLP:n. De infallande ljusstrålarna på DMD:n agerar utifrån interferensmönstret och återger ett hologram. Jämför här med den fotografiska filmen inom optisk holografi.</p><p>Den andra delen av examensarbetet hanterar min återskapning av metoden. För att beskriva transformen valdes datorprogrammet Matlab. Indata till programmet är två tvådimensionella bilder. Dessa placeras i en rymd med ett inbördes avstånd mellan varandra i z-led. Denna rymd är det objekt som ska skapas ett hologram för. Programmet ger som utdata en tvådimensionell bild som utgör interferensmönstret för objektet.</p><p>Stor vikt har lagts vid optimering av detta program genom att utnyttja Matlabs styrka i matrisoperationer och att förenkla beräkningen för de punkter som i hologrammet är genomskinliga, dvs. de punkter som inte hör till objektet.</p><p>I resultatdelen presenteras interferensmönstret för ett givet objekt. En slutsats är att beräkna transformen för normalstora eller större objekt är en mycket tidsödande process. Det krävs stor datorkraft och bättre optimering för att få acceptabla tider för beräkningen. Här beräknas bara interferensmönster för enstaka objekt, för att skapa holografisk video så behövs runt 24 bilder per sekund. Det är fullt möjligt att skapa holografisk video med det presenterade programmet men det skulle ta allt för lång tid för beräkning.</p>

Detta examensarbete utgår ifrån en artikel i vilken en metod för att skapa holografisk video beskrivs. Syftet med arbetet är att återskapa denna metod. Metoden bygger på projicering av hologram med hjälp av delar från en projektor, en laser och några linser. Först görs en litteraturstudie för att få förståelse över hur metoden fungerar. Här behandlas hur ögat ser djup och vilka olika typer av displayer det finns för att återge tredimensionella holografiska bilder. Vidare beskrivs skillnaden mellan optisk och datorgenererad holografi. Detta arbete hanterar enbart datorgenererad holografi. Diffraktion, böjning av ljusstrålar och interferens mellan ljusstrålar ligger som grund för metoden att skapa holografiska bilder. I optisk holografi låter man ljusstrålar från ett objekt och en referensstråle interferera med varandra. Deras interferensmönster fångas upp på en fotografisk film. Ett hologram av objektet kan därefter rekonstrueras genom att belysa den fotografiska filmen med samma referensstråle. För att återge tredimensionella holografiska bilder så behövs en SLM (”Spatial Light Modulator”). Den SLM som används här är Texas Instruments DLP (”Digital Light Processing”). Denna återfinns i DLP-projektorer i vilken huvudkomponenten är en DMD (”Digital Micromirror Device”). En DMD är ett datorchip bestående av mikroskopiska små speglar i ett rutmönster. DMD:n belyses i projektorn av en lampa och här av en laser. Vardera mikrospegel kan vinklas mot resp. från ljuskällan och därigenom föra sitt lilla ljusknippe vidare eller inte. Datorgenererad holografi simulerar optisk holografi, genom en fouriertransform. Denna transform har som indata en numerisk beskrivning av ett objekt och som utdata ett interferensmönster som matas in i DLP:n. De infallande ljusstrålarna på DMD:n agerar utifrån interferensmönstret och återger ett hologram. Jämför här med den fotografiska filmen inom optisk holografi. Den andra delen av examensarbetet hanterar min återskapning av metoden. För att beskriva transformen valdes datorprogrammet Matlab. Indata till programmet är två tvådimensionella bilder. Dessa placeras i en rymd med ett inbördes avstånd mellan varandra i z-led. Denna rymd är det objekt som ska skapas ett hologram för. Programmet ger som utdata en tvådimensionell bild som utgör interferensmönstret för objektet. Stor vikt har lagts vid optimering av detta program genom att utnyttja Matlabs styrka i matrisoperationer och att förenkla beräkningen för de punkter som i hologrammet är genomskinliga, dvs. de punkter som inte hör till objektet. I resultatdelen presenteras interferensmönstret för ett givet objekt. En slutsats är att beräkna transformen för normalstora eller större objekt är en mycket tidsödande process. Det krävs stor datorkraft och bättre optimering för att få acceptabla tider för beräkningen. Här beräknas bara interferensmönster för enstaka objekt, för att skapa holografisk video så behövs runt 24 bilder per sekund. Det är fullt möjligt att skapa holografisk video med det presenterade programmet men det skulle ta allt för lång tid för beräkning.

A technique using diffractive elements for finding the absolute shape of a large-scale object is proposed. An accurate projected fringe profilometry can be built by applying the holographic technique in this system. The advantages of using the presented technique for projected fringe profilemetry are : (1) a large depth of field ; (2) very low fringe distortion ; (3) a compact design for the measurement system ; (4) high accuracy ; (5) fast measurement speed.

The main purpose of the project was to create an initial lab set-up for a dig-ital in-line holographic microscope and a reconstruction algorithm. Different parameters including: light source, pin-hole size and distances pinhole-object and object-camera had to be optimized. The lab set-up is to be developed further by a master student at the University of Nairobi and then be used for malaria detection in blood samples. To acquire good enough resolution for malaria detection it has been found necessary to purchase a gray scale camera with smaller pixel size. Two dierent approaches, in this report called the on-sensor approach and the object-magnication approach, were investigated. A reconstruction algorithm anda phase recovery algorithm was implemented as well as a super resolution algorithm to improve resolution of the holograms. The on-sensor approach proved easier and cheaper to use with approximately the same results as the object-magnication method. Necessary further research and development of experimental set-up was thoroughly discussed. / Projketet har gått ut på att bygga en billigare och enklare metod för att identifiera malaria i blodprover. Malaria är ett stort problem i en mängd områden i världen. Flera av dessa är fattiga och kan i nuläget inte tillhandahålla den här tjänsten till sin befolkning. Förutom att dyr apparatur krävs måste även utbildad personal lägga ner mycket tid för att kolla en stor mängd blodprover för att statistiskt säkerställa om en person har malaria eller inte. Vårt mål var att bygga en labbuppställning för "Digital in line holographic microscopy" och en rekonstruktionsalgoritm som en masterstudent vid Nairobi universitet ska fortsätta utveckla. Vi kom också fram till vilken upplösning som krävdes för att kunna urskilja malaria i blodproverna. Digital in line holographic microscopy går till så att man har en ljuskälla som riktas genom ett pinnhål, ljuset som går genom pinnhålet ljuser upp det prov, blodproverna i vårt fall, man vill undersöka och det resulterande ljuset fångas på en kamera. Med kunskap om fourieroptik går det att rekonstruera den digitala bilden man fångat på kameran, innan rekonstruktion är den ett hologram vilken är svårtydd. Labbuppställningen byggdes delvis med en 3D printer. För att förbättra resultaten implementerades flera algoritmer vilka lade ihop en mängd förskjutna bilder till en bättre bild, så kallad super resolution. Vi lyckades inte komma till den upplösning som krävdes för att urskilja malaria men gjorde en grundlig förstudie och en utförlig beskrivning av det arbete som väntar den student som fortsätter med projektet. Framför allt beskrevs värden på parametrar och vilken typ av kamera som ska användas för att optimera uppställningen.

In this work, the technique of designing and optimizing broadband volume transmission holograms using dichromate gelatin (DCG) is summarized for solar spectrum-splitting application. Spectrum splitting photovoltaic system uses a series of single bandgap PV cells that have different spectral conversion efficiency properties to more fully utilize the solar spectrum. In such a system, one or more high performance optical filters are usually required to split the solar spectrum and efficiently send them to the corresponding PV cells. An ideal spectral filter should have a rectangular shape with sharp transition wavelengths. DCG is a near ideal holographic material for solar applications as it can achieve high refractive index modulation, low absorption and scattering properties and long-term stability to solar exposure after sealing. In this research, a methodology of designing and modeling a transmission DCG hologram using coupled wave analysis for different PV bandgap combinations is described. To achieve a broad diffraction bandwidth and sharp cut-off wavelength, a cascaded structure of multiple thick holograms is described. A search algorithm is also developed to optimize both single and two-layer cascaded holographic spectrum splitters for the best bandgap combinations of two- and three-junction SSPV systems illuminated under the AM1.5 solar spectrum. The power conversion efficiencies of the optimized systems under the AM1.5 solar spectrum are then calculated using the detailed balance method, and shows an improvement compared with tandem structure.

Optical waves propagation in various types of volume gratings, materials with constant impendence and optical fibers are studied. Instability of cross–phase modulation and of Energy transfer via GRON-type (Grating-type Orientational Nonlinearity in Liquid Crystal) Stimulated Scattering is numerically observed. Two diffractive optical elements made of volume gratings are suggested and analyzed. A transmission hologram based on the analogy with Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) in nonlinear optics is proposed. This transmission hologram demonstrates high diffraction efficiency and low sensitivity to polarization and hologram strength. The other is a reflection hologram with two crossed-gratings. It features good angular selectivity in comparison with the poor angular selectivity of conventional Bragg grating mirror. This defense also contains the approximation of Maxwell equations for the description of depolarized light sources and polarization-insensitive detectors. A scalar wave equation, Z-Helmholtz equation, is proposed and discussed in the approximation of constant impedance media. As examples, this equation successfully describes a) Fresnel transmission coefficient, and b) Goose-Hanschen shift in total internal reflection, for depolarized incident light and, at the same time, polarization-insensitive detectors. Evolution of polarization during light propagation in an inhomogeneous locally isotropic medium, and also in a single-mode fiber is described by Rytov's non-rotation equation. With arbitrary chosen real unit vector, the complete description of polarization change can be described in a single rotation angle obtained from the integral of rotation rate. Based on introduction of this reference frame, a device is suggested as rigid body's rotation sensor due to polarization change in a twisted fiber.

As visual display technologies move closer to producing true three dimensional displays, pixel technologies need to be ever smaller and more functional to keep pushing the boundaries. Plasmonic metasurfaces have been shown to control the phase, amplitude and/or polarisation of incoming electromagnetic radiation. Nano-fabrication advancements have resulted in the fabrication of the building blocks of such metasurfaces at nano-scale dimensions, allowing the surfaces to interact with visible light, opening up applications in visual displays. As pixel sizes shrink, smaller colour filters will be required. The excitation of plasmonic resonances in metallic nano-structure arrays have resulted in colour filters an order of magnitude smaller than what is currently commercially available. As colour filters, plasmonic metasurfaces offer numerous advantages over pigment-based colour filters used in modern commercial liquid crystal (LC) displays, including environmental, size and longevity factors. Furthermore, exploiting the wavelength and polarisation dependant scattering of nano-structures, optical components, including lenses, waveplates and holograms containing sub-wavelength pixels have been demonstrated in the visible wavelength spectrum. The metasurfaces are able to mould optical wavefronts into arbitrary shapes with sub-wavelength resolution by introducing spatial variations in the optical response of the light scatterers. The applications demonstrated so far are, on the whole, static devices, that is to say their optical properties may not be altered post fabrication. To realise the full potential of plasmonic metasurfaces to visual applications the devices must be made active. By activating structural colour surfaces, not only may pixel densities potentially be increased simply by removing the need for separate red, green and blue filters, but a new class of high definition ultra-thin display devices may be accessible, whilst the dynamic manipulation of the wavelength and polarisation properties of nano-scattering elements would open up the possibilities to create sub-wavelength holographic pixels. This thesis investigates ways to activate static metasurfaces for colour, flat optic, and holographic applications. First, methods of dynamic control of the structural colour of plasmonic nano-hole arrays are investigated. By combining nano-hole arrays with liquid crystals, transmissive electrically tunable LC-nanohole pixels operating across the visible spectrum with un-polarised input light are experimentally demonstrated. An output analyser in combination with a nematic LC layer enables pixel colour to be electronically controlled through an applied voltage across the device, where LC re-orientation leads to tunable mixing of the relative contributions from the plasmonic colour input. Furthermore, exploiting the strong surface anchoring effects between an aluminium surface and LC molecules a twisted nematic LC cell, using a metallic grating as a combined colour filter, electrode and alignment layer, was shown to act a variable amplitude colour filter. The colour of these pixels was improved greatly utilising a grating-insulator-grating structure unique to this work. Second, a new process for fabricating aluminium nano-rod structures embedded in an elastomeric medium, with high spatial accuracy, is presented. The process is used to create nano-rod plasmonic resonator arrays whose optical properties may be altered by mechanical deformation. The pattern transfer process is further utilised to create dynamic optical elements, including nano-rod arrays for colour filters, tunable focal length Fresnel zone plates and photon sieves, and stretchable holograms with dynamic replay fields.