Ce travail de thèse visait à concevoir, assembler, optimiser et tester des modules d’illumination structurée à base d’éléments optiques diffractifs (EODs) pour une application de reconnaissance faciale sur appareils mobiles (smartphones, tablettes). L’intégration des modules dans des smartphones impliquait de fortes contraintes de miniaturisation, de consommation énergétique, de coût, et de sécurité laser. L’élément clé de chaque module était un EOD de Fourier à angle de diffraction supérieur à la limite du modèle scalaire paraxial de la diffraction permettant d’illuminer la surface d’un visage à une distance d’une portée de bras. Afin de faciliter la conception (relâchement des contraintes angulaires), la fabrication (minimisation de l’efficacité de diffraction à l’ordre 0) et la réplication des EODs, le premier axe de travail a consisté à concevoir et à fabriquer des dispositifs hybrides « agrandisseurs d’angles » combinant des EODs et des optiques divergentes conventionnelles. Le second volet portait sur la conception des EODs qui devait prendre en considération à la fois les paramètres des systèmes bas coût d’illumination et d’acquisition d’images utilisés, notamment pour contrôler la présence de granularité laser (« speckle ») sur la figure de diffraction souhaitée (contrôle imposé par les algorithmes de reconnaissance faciale et de détection de fraudes utilisés). Le savoir-faire acquis dans le domaine de l’illumination structurée générée par des EODs a été étendu et transposé à trois autres applications dans les domaines de la vibrométrie, de l’aviation civile et commerciale, et de l’aviation militaire. / This thesis work aimed to design, assemble, optimize and test structured illumination modules based on diffractive optical elements (DOEs) for facial recognition application on mobile devices (smartphones, tablets). The integration of modules into smartphones involved significant constraints in terms of miniaturization, energy consumption, cost and laser safety. The key element of each module was a Fourier DOE with a diffraction angle greater than the limit of the paraxial scalar diffraction model to illuminate the surface of a face at a distance of an arm reach. In order to facilitate the design (relaxation of angular constraints), manufacturing (minimization of the zero order diffraction efficiency) and replication of DOEs, the first axis of research consisted in designing and manufacturing hybrid "angle enlarger" devices combining DOEs and conventional divergent optics. The second part concerned the design of the DOEs, which had to take into account both the parameters of the low-cost illumination and image acquisition systems used, in particular to control the presence of laser speckle on the desired diffraction pattern (control imposed by the facial recognition and fraud detection algorithms used). The know-how acquired in the field of structured illumination generated by DOEs has been extended and transposed to three other applications in the fields of vibrometry, civil and commercial aviation, and military aviation.

Les techniques d'interférométrie microscopiques, basées sur le principe de l'interférence lumineuse, ont connu un développement considérable au cours des dernières années. On distingue deux familles de techniques : la microscopie à saut de phase (PSM) bien adaptée pour l'analyse de défauts peu profonds à l'échelle nanométrique et la microscopie à sonde de faible cohérence (CPM) pour permettre la mesure de reliefs beaucoup plus profonds. Le but de cette étude porte sur l'amélioration des performances du montage de l'interféromètre microscopique en termes de sa précision, de sa résolution, de son contrôle automatique et de son utilisation dans la caractérisation des couches minces et épaisses utilisées dans la microélectronique et dans l'optique. En particulier, de nouveaux algorithmes de contrôle, de traitement et d'analyse ont été conçus pour faciliter la caractérisation des couches, et pour corriger certaines erreurs dans les méthodes PSM et CPM. Pour mieux cerner les performances et les limites du système, nous avons effectué des études comparatives entre nos propres mesures en PSM et en CPM et les mesures faites avec d'autres techniques (stylet, AFM, MEB et microscopie confocale) à travers trois applications. Nous avons montré dans la première application que la PSM pourrait être utilisée pour l'étalonnage quantitatif du procédé de recuit laser des couches de Si-poly pour les écrans plats d'une manière souple, non-destructive et beaucoup plus rapide que les méthodes classiques. Dans la deuxième application, nous avons montré que l'utilisation de la CPM pourrait contribuer à un prototypage rapide des Éléments Optiques Diffractifs (EODs) en raison de sa rapidité, de sa précision et de sa capacité de profiler correctement des couches transparentes épaisses. Dans la troisième et dernière application, une nouvelle technique interférométrique non-destructive a été développée pour caractériser les interfaces enterrées sous une couche transparente.

Le domaine des couches minces optiques a vu les fonctions de filtrage se complexifier et les techniques de dépôt se perfectionner. Cependant, certains filtres requièrent des performances ultimes notamment en termes d’uniformité et de centrage de leur réponse spectrale. Atteindre ces spécificités requiert un contrôle précis de l'épaisseur optique des couches de l’empilement. Pour se faire, l’utilisation d’un matériau dont l’indice de réfraction peut être modifié localement après dépôt est une solution. Le candidat retenu est un verre de chalcogénures : l’AMTIR-1, un verre commercial, dont l’indice de réfraction décroit sous l’action d’un champ électrique lumineux. Des couches minces de ce matériau ont été déposées par évaporation par canon à électrons et leurs propriétés optiques ont été caractérisées par mesures spectrophotométriques. Des variations d’indice photo-induites de ~4.10-2 ont été enregistrées à λ = 1 μm. Ces variations d’indice ont ensuite été exploitées pour concevoir des composants à base de couches minces optiques spatialement structurés. En particulier, des composants optiques diffractifs binaires ont été enregistrés dans le volume d’une monocouche épaisse de chalcogénure par exposition structurée. Un accord quasi parfait entre théorie et expérience a ainsi été obtenu. L’insertion de ces couches photosensibles à base de chalcogénures dans des filtres optiques interférentiels multicouches a également été investiguée. Une démonstration du contrôle local de la réponse spectrale d’un filtre passe-bande de type Fabry-Perot a été réalisée, démontrant ainsi le potentiel de cette nouvelle approche pour la réalisation de composants optiques optimisés. / In recent years, there has been a tremendous progress in the complexity of thin film optical filters but also an important improvement in the deposition techniques. However, some filters require ultimate performances especially in terms of uniformity and absolute position of their spectral responses. Achieving these characteristics requires a precise and local control of the optical thickness of each of the layers. To overcome some of these fabrication constraints, the use of a material which index of refraction or thickness can be locally changed after deposition is an attractive solution. The chosen material is a chalcogenide glass : AMTIR-1, a commercial glass which refractive index decreases when exposed to light source. Thin films of this material were deposited by electron beam deposition and optical properties were characterized by spectrophotometric measurements. Photo-induced refractive index changes of ~ 4.10-2 were recorded at λ = 1 μm. These refractive index variations were then used to fabricate spatially structured thin films. In particular, diffractive optical elements were recorded in the volume of a thick chalcogenide single layer. This is performed by structured exposure using an optical arrangement based on a digital micromirror device. A close to perfect agreement between theory and experiment has been obtained. The insertion of these chalcogenide-based photosensitive layers in multilayer optical interference filters has also been investigated. A demonstration of the local control of the spectral response of a Fabry-Perot bandpass filter was performed, demonstrating the potential of this new approach for the production of optimized optical components