Design of Optical Systems With Extended Depth of Field: an Educational Approach to Wavefront Coding Techniques

A practical activity designed to introduce wavefront coding techniques as a method to extend the depth of field in optical systems is presented. The activity is suitable for advanced undergraduate students since it combines different topics in optical engineering such as optical system design, aberration theory, Fourier optics, and digital image processing. This paper provides the theoretical background and technical information for performing the experiment. The proposed activity requires students able to develop a wide range of skills since they are expected to deal with optical components, including spatial light modulators, and develop scripts to perform some calculations.

Surface characterization techniques for determining the root-mean-square roughness and power spectral densities of optical components

Surface topography and light scattering were measured on 15 samples ranging from those having smooth surfaces to others with ground surfaces. The measurement techniques included an atomic force microscope, mechanical and optical profilers, confocal laser scanning microscope, angle-resolved scattering, and total scattering. The samples included polished and ground fused silica, silicon carbide, sapphire, electroplated gold, and diamond-turned brass. The measurement instruments and techniques had different surface spatial wavelength band limits, so the measured roughnesses were not directly comparable. Two-dimensional power spectral density (PSD) functions were calculated from the digitized measurement data, and we obtained rms roughnesses by integrating areas under the PSD curves between fixed upper and lower band limits. In this way, roughnesses measured with different instruments and techniques could be directly compared. Although smaller differences between measurement techniques remained in the calculated roughnesses, these could be explained mostly by surface topographical features such as isolated particles that affected the instruments in different ways.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Interhemispheric visual integration in humans explored by multimodal brain imaging

Résumé: Les récents progrès techniques de l'imagerie cérébrale non invasives ont permis d'améliorer la compréhension des différents systèmes fonctionnels cérébraux. Les approches multimodales sont devenues indispensables en recherche, afin d'étudier dans sa globalité les différentes caractéristiques de l'activité neuronale qui sont à la base du fonctionnement cérébral. Dans cette étude combinée d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et d'électroencéphalographie (EEG), nous avons exploité le potentiel de chacune d'elles, soit respectivement la résolution spatiale et temporelle élevée. Les processus cognitifs, de perception et de mouvement nécessitent le recrutement d'ensembles neuronaux. Dans la première partie de cette thèse nous étudions, grâce à la combinaison des techniques IRMf et EEG, la réponse des aires visuelles lors d'une stimulation qui demande le regroupement d'éléments cohérents appartenant aux deux hémi-champs visuels pour en faire une seule image. Nous utilisons une mesure de synchronisation (EEG de cohérence) comme quantification de l'intégration spatiale inter-hémisphérique et la réponse BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) pour évaluer l'activité cérébrale qui en résulte. L'augmentation de la cohérence de l'EEG dans la bande beta-gamma mesurée au niveau des électrodes occipitales et sa corrélation linéaire avec la réponse BOLD dans les aires de VP/V4, reflète et visualise un ensemble neuronal synchronisé qui est vraisemblablement impliqué dans le regroupement spatial visuel. Ces résultats nous ont permis d'étendre la recherche à l'étude de l'impact que le contenu en fréquence des stimuli a sur la synchronisation. Avec la même approche, nous avons donc identifié les réseaux qui montrent une sensibilité différente à l'intégration des caractéristiques globales ou détaillées des images. En particulier, les données montrent que l'implication des réseaux visuels ventral et dorsal est modulée par le contenu en fréquence des stimuli. Dans la deuxième partie nous avons a testé l'hypothèse que l'augmentation de l'activité cérébrale pendant le processus de regroupement inter-hémisphérique dépend de l'activité des axones calleux qui relient les aires visuelles. Comme le Corps Calleux présente une maturation progressive pendant les deux premières décennies, nous avons analysé le développement de la fonction d'intégration spatiale chez des enfants âgés de 7 à 13 ans et le rôle de la myelinisation des fibres calleuses dans la maturation de l'activité visuelle. Nous avons combiné l'IRMf et la technique de MTI (Magnetization Transfer Imaging) afin de suivre les signes de maturation cérébrale respectivement sous l'aspect fonctionnel et morphologique (myelinisation). Chez lés enfants, les activations associées au processus d'intégration entre les hémi-champs visuels sont, comme chez l'adulte, localisées dans le réseau ventral mais se limitent à une zone plus restreinte. La forte corrélation que le signal BOLD montre avec la myelinisation des fibres du splenium est le signe de la dépendance entre la maturation des fonctions visuelles de haut niveau et celle des connections cortico-corticales. Abstract: Recent advances in non-invasive brain imaging allow the visualization of the different aspects of complex brain dynamics. The approaches based on a combination of imaging techniques facilitate the investigation and the link of multiple aspects of information processing. They are getting a leading tool for understanding the neural basis of various brain functions. Perception, motion, and cognition involve the formation of cooperative neuronal assemblies distributed over the cerebral cortex. In this research, we explore the characteristics of interhemispheric assemblies in the visual brain by taking advantage of the complementary characteristics provided by EEG (electroencephalography) and fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) techniques. These are the high temporal resolution for EEG and high spatial resolution for fMRI. In the first part of this thesis we investigate the response of the visual areas to the interhemispheric perceptual grouping task. We use EEG coherence as a measure of synchronization and BOLD (Blood Oxygenar tion Level Dependent) response as a measure of the related brain activation. The increase of the interhemispheric EEG coherence restricted to the occipital electrodes and to the EEG beta band and its linear relation to the BOLD responses in VP/V4 area points to a trans-hemispheric synchronous neuronal assembly involved in early perceptual grouping. This result encouraged us to explore the formation of synchronous trans-hemispheric networks induced by the stimuli of various spatial frequencies with this multimodal approach. We have found the involvement of ventral and medio-dorsal visual networks modulated by the spatial frequency content of the stimulus. Thus, based on the combination of EEG coherence and fMRI BOLD data, we have identified visual networks with different sensitivity to integrating low vs. high spatial frequencies. In the second part of this work we test the hypothesis that the increase of brain activity during perceptual grouping depends on the activity of callosal axons interconnecting the visual areas that are involved. To this end, in children of 7-13 years, we investigated functional (functional activation with fMRI) and morphological (myelination of the corpus callosum with Magnetization Transfer Imaging (MTI)) aspects of spatial integration. In children, the activation associated with the spatial integration across visual fields was localized in visual ventral stream and limited to a part of the area activated in adults. The strong correlation between individual BOLD responses in .this area and the myelination of the splenial system of fibers points to myelination as a significant factor in the development of the spatial integration ability.

Intraoperative training on the techniques of sentinel node biopsy in breast cancer

Principles: Surgeon's experience is crucial for proper application of sentinel node biopsy (SNB) in patients with breast cancer. A 20-30 cases learning curve of sentinel node (SN) and axillary lymph node dissection (ALND) was widely practiced. In order to speed up this learning curve, surgeons may be trained intraoperative by an experienced surgeon. The purpose of this report is to evaluate the results of this procedure. Methods: Patients with one primary invasive breast cancer (cT1-T2[<3 cm]cN0) underwent SNB based on lymphoscintigraphy using technetium Tc 99m colloid, intraoperative gamma probe detection, with or without blue dye mapping. This was followed by completion ALND when SN was positive or not found. SNB was performed by one experienced surgeon (teacher) or by 10 junior surgeons trained by the experienced surgeon (trainees). Four groups were defined: (i) SNB with immediate ALND for the teacher's learning curve, (ii) SNB by the teacher, (iii) SNB by the trainees under the teacher's supervision, and (iv) SNB by the trainees alone. Results: Between May 1999 and December 2007, a total of 808 évaluable patients underwent SNB. The SN identification rate was 98% in the teacher's group, and 99% in the trainees' group (p = 0.196). SN were positive in respectively 28% and 29% of patients (p = 0.196). The distribution of isolated tumor cells, micrometastases and metastases was not statistically different between the teacher's and the trainees' groups (p = 0.163). Conclusion: These comparable results confirm the success with which the SNB was taught. This strategy avoided the 20-30 SNB followed by immediate ALND early required per surgeon.

Free-living energy expenditure measured by two independent techniques in pregnant and nonpregnant Gambian women.

Free-living energy expenditure (EE) was assessed in 37 young pregnant Gambian women at the 12th (n = 11, 53.5 +/- 1.7 kg), 24th (n = 14, 54.7 +/- 2.1 kg), and 36th (n = 12, 65.0 +/- 2.6 kg) wk of pregnancy and was compared with nonpregnant nonlactating (NPNL) control women (n = 12, 50.3 +/- 1.6 kg). The following two methods were used to assess EE: 1) the heart rate (HR) method using individual regression lines (HR vs EE) established at different activity levels in a respiration chamber and 2) the doubly labeled water (2H2(18)O) method in a subgroup of 25 pregnant and 7 control women. With the HR method the EE during the agricultural rainy season was found to be 2,408 +/- 87, 2,293 +/- 122, and 2,782 +/- 130 kcal/day at 12, 24, and 36 wk of gestation and were not significantly different from the control group (2,502 +/- 133 kcal/day). These findings were confirmed by the 2H2(18)O measurements, which failed to show any effect of pregnancy on EE. Expressed per unit body weight, the free-living EE was found to be lower (P less than 0.01 with 2H2(18)O method) at 36 wk of gestation than in the NPNL group. It is concluded that, in these Gambian women, energy-sparing mechanisms that contribute to meet the additional energy stress of gestation are operating during pregnancy (e.g., diminished spontaneous physical activity).

Assessment of Weathering Steel Bridge Performance in Iowa and Development of Inspection and Maintenance Techniques, RB17-012, 2013

Weathering steel is commonly used as a cost-effective alternative for bridge superstructures, as the costs and environmental impacts associated with the maintenance/replacement of paint coatings are theoretically eliminated. The performance of weathering steel depends on the proper formation of a surface patina, which consists of a dense layer of corrosion product used to protect the steel from further atmospheric corrosion. The development of the weathering steel patina may be hindered by environmental factors such as humid environments, wetting/drying cycles, sheltering, exposure to de-icing chlorides, and design details that permit water to pond on steel surfaces. Weathering steel bridges constructed over or adjacent to other roadways could be subjected to sufficient salt spray that would impede the development of an adequate patina. Addressing areas of corrosion on a weathering steel bridge superstructure where a protective patina has not formed is often costly and negates the anticipated cost savings for this type of steel superstructure. Early detection of weathering steel corrosion is important to extending the service life of the bridge structure; however, written inspection procedures are not available for inspectors to evaluate the performance or quality of the patina. This project focused on the evaluation of weathering steel bridge structures, including possible methods to assess the quality of the weathering steel patina and to properly maintain the quality of the patina. The objectives of this project are summarized as follows:  Identify weathering steel bridge structures that would be most vulnerable to chloride contamination, based on location, exposure, environment, and other factors.  Identify locations on an individual weathering steel bridge structure that would be most susceptible to chloride contamination, such as below joints, splash/spray zones, and areas of ponding water or debris.  Identify possible testing methods and/or inspection techniques for inspectors to evaluate the quality of the weathering steel patina at locations discussed above.  Identify possible methods to measure and evaluate the level of chloride contamination at the locations discussed above.  Evaluate the effectiveness of water washing on removing chlorides from the weathering steel patina.  Develop a general prioritization for the washing of bridge structures based on the structure’s location, environment, inspection observations, patina evaluation findings, and chloride test results.