Nous avons développé et construit un imageur polarimétrique actif avec une illumination laser à la longueurd'onde 1:55 um. Il peut générer et analyser tous les états de polarisation de la sphère de Poincaré. Il permetde réaliser une optimisation polarimétrique du contraste en analysant la scène à l'aide d'un algorithme desegmentation ultra rapide basé sur des contours actifs. Cet imageur nous permet de comparer plusieursmodalités d'imagerie possédant des nombres de degrés de liberté polarimétrique différents. Nous effectuons ladétection d'objets manufacturés dans différents environnements avec l'imagerie polarimétrique active pourillustrer les capacités de ces modalités. Nous démontrons l'effcacité de l'imagerie polarimétrique active pourdes applications de décamouffage et de détection d'objets dangereux, et mettons en évidence lescaractéristiques qu'un imageur polarimétrique doit posséder pour ce type d'applications. Nous montrons quedans la majorité des scénarios étudiés, les matrices de Mueller sont presque diagonales, et que desperformances de détection satisfaisante peuvent être atteintes avec des imageurs polarimétriques plus simplesqui ont un nombre de degrés de liberté réduit. De plus, la normalisation de l'intensité des images est unecondition nécessaire pour mieux révéler le contraste polarimétrique. / We designed and built an active polarimetric imager with laser illumination at 1:55 um wavelength. It cangenerate and analyze any polarization state on the Poincaré sphere. It let us the possibility to perform apolarimetric contrast optimization by analyzing the scene with an ultrafast active-contour-based segmentationalgorithm. This imagins systeme allow to compare several imaging modes having different numbers ofpolarimetric degrees of freedom. We address the detection of manufactured objects in different types ofenvironments with active polarimetric imaging to illustrate the capabilities of the techniques. We demonstratethe effciency of active polarimetric imaging for decamouffage and hazardous object detection, and underlinethe characteristics that a polarimetric imager aimed at this type of application should possess. We show thatin most encountered scenarios the Mueller matrices are nearly diagonal, and suffcient detection performancecan be obtained with simple polarimetric imaging systems having reduced degrees of freedom. Moreover,intensity normalization of images is of paramount importance to better reveal polarimetric contrast.

La polarimétrie de Mueller est une technique optique qui mesure la réponse polarimétrique complète d’un milieu sous la forme d’une seule matrice de Mueller afin de remonter à ses propriétés optiques comme le dichroïsme, la biréfringence et la dépolarisation. Le couplage avec la microscopie non-linéaire (SHG par exemple) permet d’avoir accès à des informations précises sur un milieu biologique (structure, organisation, . . .). Cela impose de passer à une modalité d’imagerie à balayage laser, qui nécessite de mesurer la réponse polarimétrique du milieu pixel-par-pixel en des temps relativement courts (de l’ordre de la microseconde). Le but de cette thèse est de mettre en oeuvre un polarimètre de Mueller dont les cadences d’acquisition sont compatibles avec l’imagerie à balayage laser. Dans un premier temps, un polarimètre de Mueller inédit est proposé, basé sur le codage spectral de la polarisation dont toute l’information polarimétrique de l’échantillon est mesurée sous la forme d’un seul signal d’intensité en un temps record (10 μs). Ce dispositif est constitué d’une source à balayage rapide en longueur d’onde à 100 kHz (ou swept-source), de lames de phase d’ordre élevé et d’un détecteur monocanal. Les erreurs systématiques qui entachent la mesure sont évaluées et des méthodes de correction permettent de les prendre en compte dans une étape d’étalonnage qui utilise la réponse de deux milieux étalons.Ensuite, le polarimètre est implémenté dans un microscope commercial à balayage laser, utilisé initialement pour réaliser de l’imagerie non-linéaire (SHG). Cela requiert un redimensionnement du montage, ainsi que la synchronisation entre les deux systèmes. Par ailleurs, un protocole de calibration du dispositif est développé et permet de tenir compte de l’ensemble des erreurs systématiques du polarimètre indépendamment des anisotropies optiques engendrées par le microscope. Enfin, les premières images polarimétriques de Mueller en microscopie à balayage laser ont été acquises sur des échantillons inhomogènes spatialement (rubans adhésifs et cristaux de roches). La potentialité de la microscopie multimodale est démontrée sur des échantillons de fibroses de foie, en couplant l’imagerie polarimétrique de Mueller et la microscopie non-linéaire au sein d’un seul instrument. / Mueller polarimetry is an optical technique allowing the acquisition of the full polarimetric signature of a medium with a single Mueller matrix, and leading to its polarimetric parameters such as dichroism, birefringence and depolarization. Coupling Mueller polarimetry with nonlinear microscopy techniques (SHG for example), more precise information about the medium could be obtained (structure, organization . . .). This imaging technique uses a laser scanning system to measure the Mueller matrix of a medium point-to-point quickly (of the order of the microsecond). The aim of this thesis is to develop a Mueller polarimeter compatible with the laser scanning system. First, a new Mueller polarimeter is proposed using spectral encoding of the polarization and measuring the full polarimetric signature of a sample with a single channeled spectrum in a fast way (10 μs). This setup is composed of a 100 kHz swept-source laser, high order retarders and a single channel detector. Systematic errors on the Mueller matrix measurement are evaluated and correction methods take into account these errors in a calibration step that uses polarimetric signature of two references medium. Then, the polarimeter is implemented on a commercial laser scanning microscope that usually images non-linear contrasts (SHG). The update needs to reduce the dimension of the polarimeter and ensure an electronic synchronization between these two systems. However, a new calibration step is proposed and takes into account all the systematic errors of the polarimeter, independently of the optical anisotropy induced by the microscope. Finally, the images with the first Mueller scanning microscope are obtained with spatially inhomogeneous samples (cellophane tapes, rocks). The potentiality of the multimodal scanning microscopy Mueller/SHG on the same instrument is demonstrated in the case of hepatic fibrosis.

L’imagerie de polarisation est une technique permettant de révéler des contrastes qui n’apparaissent pas dans les images d’intensité classiques. En d’autres termes, elle permet de transformer une différence de propriétés polarimétriques en différence de niveau de gris. Elle trouve des applications en décamouflage, télédétection, microscopie, etc. Les imageurs polarimétriques utilisent souvent des modulateurs de polarisation basés sur des matrices de cristaux liquides rapides et fiables. Cependant, les LCVR contrôlent l’état de polarisation de la lumière à seulement une longueur d’onde donnée, et si le système est utilisé à d’autres longueurs d’ondes, il a des performances réduites. Si la lumière qui illumine la scène à un spectre large, il est donc nécessaire d’insérer un filtre spectral de bande étroite dans la voie d’imagerie, ce qui a pour effet de réduire la quantité de lumière entrant dans le système et donc le rapport signal à bruit des images.Un moyen de résoudre ce problème est d’utiliser des modulateurs de polarisation achromatiques, mais cela induit un coût et une complexité accrus qui peuvent ne pas être nécessaires si l’objectif est d’améliorer la performance de détection de cible en augmentant le contraste entre l’objet d’intérêt et le fond. Dans cette thèse, j’étudie l’impact d’un élargissement du spectre d’illumination sur la performance de détection de cible par des systèmes d’imagerie polarimétriques utilisant des composants chromatiques. A travers des simulations, je montre tout d’abord qu’élargir le spectre d’illumination peut augmenter le contraste car l’augmentation du flux de lumière compense la perte de précision polarimétrique. De plus, en prenant en compte les caractéristiques polarimétriques chromatiques des composants, on peut accroître encore l’augmentation du contraste. Ces résultats sont ensuite validés à travers des expériences réelles d’imagerie polarimétrique active. Ils démontrent que la largeur du spectre d’éclairement peut être considérée comme un paramètre additionnel pour optimiser ces systèmes d’imagerie.Afin de mettre en pratique l’expertise acquise en imagerie polarimétrique active à un autre domaine, j’ai collaboré avec un partenaire industriel (Carl Zeiss, Germany) pour doter un microscope optique d’une capacité polarimétrique. L’imagerie d’un échantillon fin et transparent est un problème difficile. Par exemple, la coloration de l’échantillon peut ajouter des détails parasites et n’est pas applicable à l’imagerie du vivant. Une technique prometteuse est le contraste de phase différentiel (DPC) qui consiste à extraire le gradient de phase de l’objet à partir de deux images illuminées de manière asymétrique et acquises selon des angles complémentaires. La source de lumière est une matrice de LED programmables qui peut générer différents motifs d’illumination. Cependant, cette méthode d’imagerie prend du temps et les flashs intermittents émis par la source peuvent rendre l’observation inconfortable.J’ai donc proposé une solution alternative consistant à installer deux polariseurs avec des axes orthogonaux devant la source de lumière et une caméra sensible à la polarisation qui peut détecter simultanément des polarisations orthogonales. La lumière polarisée atteint la caméra sensible à la polarisation après avoir traversé l’échantillon transparent. Les composantes orthogonales sont extraites de l’image acquise par un procédé de débayerisation. A travers différentes expériences, je compare les performances de cette méthode innovante avec la méthode de DPC classique. Je montre qu’elles fournissent des qualités d’images similaires dans la plupart des cas alors que la nouvelle méthode permet de diviser le temps d’acquisition par deux, tout en supprimant les flashs intermittents. / Polarization imaging is a technique which reveals contrasts that do not appear in classical intensity images. It transforms the difference in polarimetric properties of a scene into difference in gray level of an image. This technique has found applications in decamouflaging, remote sensing, microscopy etc. Polarimetric imagers often use polarization modulation devices based on liquid crystal variable retarders (LCVR), which are fast and reliable. However, LCVR control the polarization state of light only at one given nominal wavelength, and performance loss might be observed if imaging is performed at other wavelengths, due to the wavelength dependence of the LCVR. If the light source that illuminates the scene has a broad spectrum, it is thus necessary to insert a narrowband spectral filter in the imaging path. However, spectral filtering significantly decreases the amount of light entering the system and thus the signal-to-noise ratio of polarimetric images.A way to circumvent this issue is to achromatize the polarization modulators. However, this comes at the price of higher complexity and cost, and this may not be needed if the objective is to improve target detection performance by increasing the target/background discriminability (or contrast). In the thesis, we present the investigation of the impact of broadening the spectrum of the light entering the system on the discriminability performance of active polarimetric systems. Through simulations, we show that broadening the bandwidth of the illumination can increase the contrast between two regions, as the increase of light flux compensates for the loss of polarimetric precision. Moreover, we show that taking into account the chromatic characteristics of the components of the imaging system, it is possible to further enhance the contrast. We validate these findings through experiments in active polarimetric imaging configuration, and demonstrate that the spectral bandwidth can be considered as an additional parameter to optimize polarimetric imaging set-ups.We collaborated with an industrial partner (Carl Zeiss, Germany) to implement polarization imaging in optical microscopy. Imaging thin and transparent specimen in microscopy is a challenging task. Staining the sample is a solution but it adds false/spurious details to the image, thus not suitable for live imaging. Recently, differential phase contrast (DPC) imaging by asymmetric illumination is proved to be a desirable choice. This works on the principle that the phase gradient of a transparent specimen can be extracted from two images, illuminated and recorded at complementary angles. Then, DPC is computed as normalized difference between two images. Here the light source is programmable LED array and different pattern of illumination can be generated. This imaging method consumes more time and intermittent flash of light from light source makes sample observation inconvenient for the observer.A practical solution we propose is to install two polarization foils with orthogonal polarization axes below the light source side by side and a polarization sensitive camera which can detect orthogonal eigen polarization states at a time in the existing setup. The polarization foils separate light waves from complementary angles since orthogonally polarized light waves do not interact with each other. The polarized light reaches polarization sensitive camera after passing through transparent sample. The pixels sensitive to horizontal and vertical polarization detect horizontal and vertical polarized light respectively. Then horizontal and vertical polarized light information are separated from the recorded image and reconstructed the missing information using debayering process. Through experiments, we show that polarization based DPC and standard DPC images have similar quality in most cases and the new technique reduces time consumption by half.

Le mélanome est un cancer rare de la peau qui se développe à partir des cellules responsables de la pigmentation : les mélanocytes. Depuis quelques années, nous observons une augmentation significative du nombre de personnes atteintes par cette maladie, de mauvais pronostic et très agressive (132 000 nouveaux cas chaque année dans le monde). Le taux de mortalité de ce cancer est très élevé en raison de la rapidité de propagation des cellules cancéreuse dans d’autres régions du corps. En France, on remarque un nombre relativement élevé de cas détectés, plus particulièrement en Bretagne. La tumeur se présente comme une tâche dont l’apparence est très proche du grain de beauté. Si elle est détectée suffisamment tôt, un prélèvement suffit à la guérison et les risques de récidives sont très faibles. En revanche, une fois que les métastases se propagent, les chances de survie à long terme sont très faibles. Malgré les récentes avancées en thérapie ciblée, les traitements du mélanome métastatique restent encore limités. En partenariat avec le groupe Malakoff Médéric, nous développons actuellement un système optique pour la détection précoce du mélanome cutané. Celui-ci est basé sur les propriétés de polarisation de la lumière. La thèse présente la conception du système, de l’étude de faisabilité jusqu’à l’étape finale d’étalonnage. Nous proposons également différents tests sur des échantillons de simulation. Ces derniers nous permettent de démontrer la corrélation qu’il existe entre les effets de polarisation et les modifications biologiques en cours lors du développement du mélanome. Cette étude préliminaire nous prépare aux expérimentations sur de vrais échantillons. / Melanoma is a rare cancer that develops from the pigmentation cells of the skin. Recently, we notice a significant increase in the number of people affected by this aggressive disease with a poor prognosis (132 000 new cases each year worldwide). The mortality rate of this cancer is very high, which is due to the rapid spread of cancerous cells to other parts of the body. In France, there is a relatively high number of cases detected, especially in Britanny. The tumor is a spot which looks like a mole. If detected early, a levy is sufficient to healing and the risk of recurrence is very low. However, once metastasis spread, the long-term prognosis is very low. Despite recent advances in targeted therapy, the treatments of metastatic melanoma are still limited. In partnership with the Malakoff Mederic group, we are currently developing an optical system for early detection of cutaneous melanoma. It is based on the polarization properties of light. The PhD focuses on the design of the system, from the feasibility study to the final calibration. We also present various tests on samples of simulation. These allow us to demonstrate the correlation between the effects of polarization and biological changes during the development of melanoma. This preliminary study prepares us to experiments on real samples.