No description available.

Moduladores espaciais de luz são elementos que fazem a modulação de uma frente de onda de modo a resultar em uma distribuição de luz desejada. Eles operam por difração, de acordo com o princípio de Huygens-Fresnel, e por este motivo são chamados Elementos Ópticos Difrativos (EODs). O foco deste trabalho é o estudo da modulação de frentes de onda, através da Teoria Escalar da Difração. O objetivo inicial foi o domínio do cálculo dos moduladores espaciais de luz, através da implementação do Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier. São calculados três EODs de fase: fase contínua, 4 níveis de fase e fase binária. Os resultados são avaliados através do cálculo da eficiência difrativa e da relação sinal-ruído. Para verificação do cálculo, hologramas binários foram fabricados usando filme fotográfico, de maneira simples e baixo custo. Algumas reconstruções simuladas e ópticas são apresentadas, demonstrando a viabilidade do uso do algoritmo na codificação de EODs. Em seguida, é feita a análise das frequências de ressonância de moduladores de ferroeletretos com canaleta, através de uma montagem experimental baseada no interferômetro de Michelson. Os ferroeletretos apresentam o efeito piezoelétrico e vêm sendo produzidos através de novas técnicas de fabricação. No campo da óptica tem-se o interesse em caracterizar ferroeletretos de modo a utilizá-los como possíveis moduladores de luz. São apresentados a montagem interferométrica em detalhes e o procedimento usado para medir as frequências de ressonância. Os resultados obtidos e as discussões demonstram a viabilidade do uso da montagem interferométrica proposta na caracterização de ferroeletretos. / Spatial light modulators perform the modulation of wavefront so that the desired light distribution is acquired. They work by diffraction, according to the Huygens-Fresnel principie, and for that they are called Diffractive Optical Elements (DOEs). The focus of this work is the study of light modulators through Scalar Diffraction Theory. The initial objective was to execute the calculation of spatial light modulators through the implementation of the so-called Iterative Fourier Transform AIgorithm. The calculation of three phase holograms is made: analog phase, 4 leveI phase and binary phase. The results are evaluated by calculating the diffraction efficiency and by signal to noise ratio. To verify the calculation, binary holograms were fabricated using photographic film in a simple and low cost way. Simulated and optical reconstructions are presented, showing the viability for the use of the algorithm in the coding of DOEs. Next, the resonance frequencies analysis in open tubular channels ferroelectrets is made through an experimental setup based in the Michelson interferometer. The ferroelectrets present the piezoelectric effect and are continuously produced through new techniques. In optics there is in interest in feroelectrets characterization in order to use them as spatial light modulators. The interferometric setup and the procedure used to measure the resonance frequencies are shown. The obtained results and discussion demonstrate the viability of the use of optical measurements in the characterization of ferroelectrets.

Moduladores espaciais de luz são elementos que fazem a modulação de uma frente de onda de modo a resultar em uma distribuição de luz desejada. Eles operam por difração, de acordo com o princípio de Huygens-Fresnel, e por este motivo são chamados Elementos Ópticos Difrativos (EODs). O foco deste trabalho é o estudo da modulação de frentes de onda, através da Teoria Escalar da Difração. O objetivo inicial foi o domínio do cálculo dos moduladores espaciais de luz, através da implementação do Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier. São calculados três EODs de fase: fase contínua, 4 níveis de fase e fase binária. Os resultados são avaliados através do cálculo da eficiência difrativa e da relação sinal-ruído. Para verificação do cálculo, hologramas binários foram fabricados usando filme fotográfico, de maneira simples e baixo custo. Algumas reconstruções simuladas e ópticas são apresentadas, demonstrando a viabilidade do uso do algoritmo na codificação de EODs. Em seguida, é feita a análise das frequências de ressonância de moduladores de ferroeletretos com canaleta, através de uma montagem experimental baseada no interferômetro de Michelson. Os ferroeletretos apresentam o efeito piezoelétrico e vêm sendo produzidos através de novas técnicas de fabricação. No campo da óptica tem-se o interesse em caracterizar ferroeletretos de modo a utilizá-los como possíveis moduladores de luz. São apresentados a montagem interferométrica em detalhes e o procedimento usado para medir as frequências de ressonância. Os resultados obtidos e as discussões demonstram a viabilidade do uso da montagem interferométrica proposta na caracterização de ferroeletretos. / Spatial light modulators perform the modulation of wavefront so that the desired light distribution is acquired. They work by diffraction, according to the Huygens-Fresnel principie, and for that they are called Diffractive Optical Elements (DOEs). The focus of this work is the study of light modulators through Scalar Diffraction Theory. The initial objective was to execute the calculation of spatial light modulators through the implementation of the so-called Iterative Fourier Transform AIgorithm. The calculation of three phase holograms is made: analog phase, 4 leveI phase and binary phase. The results are evaluated by calculating the diffraction efficiency and by signal to noise ratio. To verify the calculation, binary holograms were fabricated using photographic film in a simple and low cost way. Simulated and optical reconstructions are presented, showing the viability for the use of the algorithm in the coding of DOEs. Next, the resonance frequencies analysis in open tubular channels ferroelectrets is made through an experimental setup based in the Michelson interferometer. The ferroelectrets present the piezoelectric effect and are continuously produced through new techniques. In optics there is in interest in feroelectrets characterization in order to use them as spatial light modulators. The interferometric setup and the procedure used to measure the resonance frequencies are shown. The obtained results and discussion demonstrate the viability of the use of optical measurements in the characterization of ferroelectrets.

Les milieux biologiques sont des mélanges chimiques d'un intérêt exceptionnel. Leur étude nécessite la conception d'outils analytiques respectant les caractéristiques singulières et contraignantes de ces milieux. Nous avons développé un protocole d'imagerie non-invasif permettant de détecter sélectivement et de quantifier une espèce cible dans un mélange complexe telle qu'une cellule vivante. Notre approche exploite la réponse au premier ordre en quadrature de phase d'une sonde photochrome soumise à une modulation lumineuse périodique. Un cadre théorique complet nous a permis d'identifier les conditions d'illumination qui maximisent cette réponse en ajustant les deux paramètres de contrôle, l'intensité lumineuse moyenne et la fréquence angulaire de l'excitation lumineuse modulée, de sorte à satisfaire des conditions de résonance robustes. La contribution spécifique de la sonde photochrome ciblée au sein d'un mélange de composés interférents (photochromes ou non) est sélectivement extraite du signal global grâce à une détection en quadrature de phase. Après une validation in vitro, ce protocole a été appliqué en microscopie de fluorescence pour l'imagerie sélective dans des cellules de mammifères et des poissons zèbres. Cette approche ouvre des perspectives pour l'observation multiplexée dans des échantillons biologiques. Des améliorations ont été apportées au protocole original afin d'atteindre une résolution temporelle suffisante pour la plupart des études dynamiques en biologie. / Biological media are chemical mixtures of exceptional interest. Their investigation requires conceiving analytical tools fulfilling the singular and demanding features of these media. We have designed a non-invasive imaging protocol allowing to selectively detect and quantify a given target in a complex mixture such as a living cell. Our approach relies on the first order out-of-phase response of a targeted photoswitchable probe to periodic light modulation. An extensive theoretical framework enabled us to identify the illumination conditions that maximize this response by appropriately tuning the two control parameters, the average light intensity and the radial frequency of the modulated light excitation, so as to satisfy robust resonance conditions. The specific contribution of the targeted probe within a mixture of interfering species (photoswitchable or not) is selectively retrieved from the overall signal thanks to quadrature detection. After in vitro validation, this protocol was applied in optical fluorescence microscopy for selective imaging in mammalian cells and zebrafish. This approach opens attractive perspectives for multiplexed observations in biological samples. Further refinements allowed to reach a temporal resolution relevant for most dynamic studies in biology.

This master’s thesis develops a novel method of digital holography, from recent studies known as Fresnel Incoherent Correlation Holography (FINCH). The method enables the reconstruction of the correlation records of three-dimensional objects, captured under quasi-monochromatic, incoherent illumination. The experimental system is based on an action of a Spatial Light Modulator, driven by computer generated holograms to create mutually correlated beams. Both optical and digital parts of the experiment can be carried out using procedures of classical holography, diffractive optics and digital holography. As an important theoretical result of the master’s thesis, a new computational model was proposed, which allows to describe the experiment completely with respect to its two basic phases. The proposed model allows to understood the method intuitively and can be used additionally for analysis and interpretation of the imaging parameters and the system optimalization. The theoretical part of the master’s thesis also presents a detailed description of the correlation imaging based on an appropriate reconstruction process. Computational models were developed for both monochromatic and quasi-monochromatic illumination. In experimental part, all theoretical results were verified. The imaging parameters were examined using standard resolution target tests and appropriate biological samples. As an original experimental result, spiral modification of the system resulting in a vortex imaging was proposed and realized. Here, a selective edge enhancement of three-dimensional objects is possible, resulting in a significant extension of possible applications of the method.

Spatial Light Modulators (SLMs) based on Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (MOEMS) are increasingly being used in various fields of optics and enable novel functionalities. The technology features frame rates from a few kHz to the MHz range as well as resolutions in the megapixel range. The field continues to make rapid progress, but technological advancements are always associated with high expenditure. Against this background, this dissertation addresses the question: What contribution can optical system design make to the further development of MOEMS-SLM-based modulation? A lens is a simple example of an optical system. This dissertation deals with system design based on Fourier optics in which the wave properties of light are exploited. On this basis, arrays of micromirrors can modulate light properties in a spatially resolved manner. For example, tilt-mirrors can control the intensity distribution in an image plane. In this dissertation variations of the aperture required for this are investigated. In addition to known absorbing apertures, phase filters in particular are investigated, which apply a spatially distributed delay effect to the light wave. This dissertation proposes the combination of MOEMS-SLMs with static, pixelated elements in the same system. These may be pixelated phase masks, also known as diffractive optical elements (DOEs). Analogously, pixelated polarizer arrays and absorbing photomasks exist. The combination of SLMs and static elements allows new degrees of freedom in system design. This thesis proposes new modulation systems based on MOEMS tilt-mirror SLMs. These systems use analog tilt-mirror arrays for the simultaneous modulation of intensity and phase as well as intensity and polarization. The proposed systems thus open up new possibilities for MOEMS-based spatial light modulation. Their properties are validated and investigated by numerical simulations. System properties and limitations are derived from these near and far field simulations. This dissertation shows that the modulation of different MOEMS-SLM types can be fundamentally changed by system design. Piston mirror arrays are classically used for phase modulation and tilt-mirror arrays for intensity modulation. This thesis proposes the use of subpixel phase structures. Their use approximately provides tilt-mirrors with the phase-modulating effect of piston-mirrors. In order to achieve this, a new optimization method is presented. Piston-mirror arrays are available only to a limited extent. By contrast, tilt-mirror arrays are well established. In combination with subpixel phase features, tilt-mirrors may replace piston-mirrors in some applications. These and other challenges of MOEMS-SLM technology can be adequately addressed on the basis of system design. / Räumliche Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) auf Basis von Mikro-Opto-Elektro-Mechanischen Systemen (MOEMS) finden zunehmend Anwendung in verschiedensten Teilgebieten der Optik und ermöglichen neuartige Funktionalitäten. Die Technik ermöglicht Frameraten von einigen kHz bis in den MHz-Bereich sowie Auflösungen bis in den Megapixelbereich. Der Fachbereich macht nach wie vor rasche Fortschritte, technologische Weiterentwicklungen sind aber stets mit hohem Aufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund widmet sich diese Arbeit der Frage: Welchen Beitrag kann optisches Systemdesign zur Weiterentwicklung der MOEMS-SLM-basierten Modulation leisten? Bereits eine Linse stellt ein Beispiel für ein optisches System dar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Systemdesign auf Basis der Fourier-Optik, bei der die Welleneigenschaften des Lichts genutzt werden. Auf dieser Basis können Arrays von Mikrospiegeln die flächige Verteilung von Licht einstellen. Beispielsweise können Kippspiegel die Intensitätsverteilung in einer Bildebene steuern. In dieser Dissertation werden Variationen der dafür nötigen Apertur untersucht. Neben bekannten absorbierenden Blenden werden insbesondere Phasenfilter untersucht, welche eine flächig verteilte Verzögerungswirkung auf die Lichtwelle aufbringen. Diese Dissertation schlägt die Kombination von MOEMS-SLMs mit statischen, pixelierten Elementen im selben System vor. Hierbei kann es sich um pixelierte Phasenmasken handeln, auch bekannt als diffraktive optische Elemente (DOEs). Analog existieren pixelierte Polarisatorarrays und absorbierende Fotomasken. Die Kombination von SLMs und statischen Elementen ermöglicht neue Freiheiten im Systemdesign. Diese Arbeit schlägt neue Modulationssysteme auf Basis von MOEMS-Kippspiegel-SLMs vor. Diese Systeme nutzen analoge Kippspiegelarrays für die simultane Modulation von Intensität und Phase sowie von Intensität und Polarisation. Die vorgeschlagenen Systeme eröffnen damit neue Möglichkeiten für die MOEMS-basierte Flächenlichtmodulation. Ihre Eigenschaften werden mithilfe von numerischen Simulationen validiert und untersucht. Aus diesen Nah- und Fernfeldsimulationen werden Systemeigenschaften und Limitierungen abgeleitet. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Modulation verschiedener MOEMS-SLM-Typen auf Basis des Systementwurfs fundamental verändert werden kann. Senkspiegelarrays werden klassischerweise zur Modulation der Phase eingesetzt und Kippspiegelarrays zur Modulation der Intensität. Diese Arbeit schlägt die Nutzung von Subpixel-Phasenstrukturen vor. Diese verleihen Kippspiegeln näherungsweise die phasenmodulierende Wirkung von Senkspiegeln. Um dies zu erreichen, wird ein neuartiges Optimierungsverfahren vorgestellt. Senkspiegelarrays sind nur in geringem Umfang verfügbar. Im Gegensatz dazu sind Kippspiegelarrays gut etabliert. In Kombination mit Subpixel-Phasenstrukturen könnten Kippspiegel in einigen Anwendungen Senkspiegel ersetzen. Diese und andere Herausforderungen der MOEMS-SLM-Technologie lassen sich auf der Grundlage des Systemdesigns adäquat adressieren.

No description available.

Multimódová vlákna jsou zobrazovacím prostředkem s významným potenciálem v in-vivo mikroendoskopii. V poslední době tato metoda zaznamenala velký rozvoj, a to díky zdokonalování výpočetní a jiné techniky, například prostorové modulace světla. Cílem této práce bylo nalézt specifické limity zobrazování multimódovými vlákny a představit jejich počítačovou simulaci. Byl zkoumán vliv způsobu osvětlení optického systému obsahujícího multimódové vlákno na jeho schopnost fokusace a zobrazování. Analýzou dat získaných ze simulací a experimentu bylo zjištěno, že různá míra omezení Gaussovského svazku a plnění apertury multimódového vlákna má za následek významnou změnu zobrazovacích schopností systému. Při pozorování kvality fokusace bylo zjištěno, že nejlépe se projevují svazky málo omezené aperturou vlákna. Tento fakt byl potvrzen i experimentálním měřením. Zobrazování za použití svazků s podobnými hodnotami omezení (50%) projevovalo i nejlepší schopnost přenosu kontrastu. Avšak při analýze rozlišení dvou bodových objektů se jako nejvhodnější projevily svazky významně přeplňující numerickou aperturu vlákna, 100% a více. Přítomnost tohoto rozdílu poukazuje na skutečnost, že multimódové vlákno není zcela náhodné médium, ale propagace světla skrz multimódové vlákno projevuje znaky závislosti na vnějších zobrazovacích podmínkách, jako je například změna omezení osvětlovacího svazku. V této práci bylo představeno několik způsobů vyhodnocení kvality zobrazování pomocí multimódového vlákna. Každé z těchto kritérií podalo dílčí charakteristiku chování optického systému obsahujícího multimódové optické vlákno. Jednotlivé výsledky se neshodují na jednom konkrétním řešení a nutí osobu využívající zobrazovací systém obsahující multimódové vlákno ke zvážení několika aspektů, a to v jakém prostředí bude daný optický systém využívat a který parametr kvality zobrazení bude považovat za nejdůležitější.

Dizertační práce je uceleným shrnutím výsledků dosažených v průběhu doktorského studia. V úvodní části práce je představena motivace, odborné a technické zázemí a grantová podpora realizovaného výzkumu. Popsány jsou také dosažené výsledky a jejich význam pro skupinu Experimentální biofotoniky, Ústavu fyzikálního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně. Vědecká část práce je rozdělena do dvou hlavních bloků, které se postupně zabývají návrhem nových zobrazovacích koncepcí a technickou modifikací stávajících zobrazovacích systému v praktických aplikacích. Dosažené vědecké výsledky podporují vývoj v oblastech korelační a spirální mikroskopie s prostorovou modulací světla. V části zabývající se návrhem nových zobrazovacích koncepcí je provedena studie korelačního zobrazení v podmínkách proměnné časové a prostorové koherence. Následně jsou zkoumány možnosti praktického využití vírových a nedifrakčních svazků v oblastech korelační, holografické a optické mikroskopie. Interference vírových svazků a samozobrazení nedifrakčních svazků je postupně využito k dosažení 3D zobrazení s hranovým kontrastem a rotující bodovou rozptylovou funkcí. Pokročilé zobrazovací metody jsou úspěšně zavedeny optickou cestou ale i digitální modifikací holografických záznamů. Výsledky teoretických modelů a numerických simulací jsou doprovázeny praktickým vyhodnocením navržených zobrazovacích principů. V technicky zaměřené části jsou navrženy nové způsoby zavedení prostorové modulace světla, které umožňují rozšíření zorného pole v experimentech korelačního zobrazení a dosažení achromatizace při zobrazení pomocí programovatelných difraktivních prvků. Rozšíření zorného pole v korelačních experimentech umožňuje přizpůsobovací optický systém vložený do standardní zobrazovací sestavy. Achromatizace difraktivního zobrazení je zajištěna použitím speciálně navrženého refraktivního korektoru. V navazující části je navržena nová metoda krokování fáze, která pracuje s dvojlomností kapalných krystalů využívaných v systémech pro prostorovou modulaci světla. Použití metody je experimentálně demonstrováno v polarizačně modifikovaném Mirau interferometru. Získané technické zkušenosti jsou využity v praktickém návrhu a realizaci multimodálního zobrazovacího systému s prostorovou modulací světla.