Les lentilles à cristaux liquides sont l'un des éléments clés de l'optique adaptative. Elles sont activement développées pour les applications d'imagerie dans des domaines tels que la microscopie, la réalité augmentée, l'ophtalmologie et l'astronomie. Ces lentilles offrent plusieurs avantages par rapport aux méthodes traditionnelles, notamment leur ajustabilité et leur adaptabilité. Cependant, certaines limitations subsistent dans leurs performances et leur production, telles qu'une plage de puissance optique limitée, une sensibilité à la température et une complexité de fabrication. Cette thèse contribue à la recherche en cours sur les lentilles à cristaux liquides et leur potentiel de révolutionner l'optique adaptative. En abordant les limitations et en proposant de nouveaux designs, elle ouvre des opportunités pour une imagerie améliorée, une correction de la vision avancée et des dispositifs optiques avancés pour les technologies de nouvelle génération. Dans la section Introduction, la théorie des cristaux liquides et les lentilles à cristaux liquides existantes sont discutées, ainsi que certains aspects importants de leur fabrication. Le Chapitre 1 présente un dispositif à indice de réfraction gradient ajustable électriquement basé sur des électrodes serpentines en oxyde d'indium-étain. Nous démontrons expérimentalement que le dispositif est capable de générer différentes fonctions optiques, notamment des lentilles sphériques standard, des axicons, des lentilles cylindriques et des prismes. L'absence de couche semi-conductrice ou organique faiblement conductrice dans ce design offre un avantage économique significatif, ainsi qu'une fiabilité environnementale et une stabilité thermique accrues pendant son fonctionnement. Le Chapitre 2 détaille un nouveau design d'une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de produire une large gamme de formes de fronts d'onde. Cela inclut la modulation de phase de type sombrero, permettant la focalisation de la lumière dans une distribution d'intensité en forme d'anneau, ainsi que des axicons et des lentilles sphériques standard avec une réponse bipolaire (fournissant à la fois des puissances optiques positives et négatives). Ce design présente de nombreux avantages tels qu'une fabrication simple, une petite taille, une consommation d'énergie plus faible, un faible coût. Le Chapitre 3 étend le design précédent (Chapitre 2), en proposant une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de créer dynamiquement des profils de fronts d'onde symétriques. Divers fronts d'onde, y compris non monotone, sont prédits théoriquement et démontrés expérimentalement. La performance optique des dispositifs est caractérisée expérimentalement dans un schéma d'imagerie. La lentille proposée peut être intégrée dans des caméras miniatures modernes pour fournir d'énormes avantages en augmentant la qualité des images enregistrées via la génération de formes de fronts d'onde souhaitées, en modifiant le foyer etc. / Liquid crystal lenses are one of the critical elements of the adaptive optics. They are actively developed for imaging applications across fields like microscopy, augmented reality, ophthalmology, and astronomy. These lenses offer several advantages over traditional methods, including tunability and adaptability. However, certain limitations remain in their performance and production, such as a limited optical power range, temperature sensitivity, and manufacturing complexity. This thesis contributes to the ongoing research of liquid crystal lenses and their potential to revolutionize adaptive optics. Addressing limitations and proposing new designs opens opportunities for improved imaging, advanced vision correction, and advanced optical devices for next-generation technologies. In the Introduction section, the theory of liquid crystals and existing liquid crystal lenses are discussed, along with some essential aspects of their fabrication. Chapter 1 introduces an electrically tunable gradient refractive index device based on serpentine electrodes made of indium tin oxide. We experimentally demonstrate that the device can generate diverse optical functions, including standard spherical lenses, axicons, cylindrical lenses, and prisms. The absence of a semiconductor or organic weakly conductive layer in this design provides a significant cost advantage and greater environmental reliability and thermal stability during its operation. Chapter 2 details a new electrically tunable liquid crystal lens design capable of producing a wide range of wavefront shapes, including sombrero-type phase modulation, enabling the focusing of light into a ring-shaped intensity distribution, as well as axicons and standard spherical lenses with bipolar response (providing both positive and negative optical powers). This design has numerous advantages, such as simple fabrication, small size, lower power consumption, and low cost. Chapter 3 extends the earlier design (Chapter 2), offering an electrically tunable liquid crystal lens capable of dynamically creating symmetric wavefront profiles. Various wavefronts, including non-monotonic, are predicted theoretically and demonstrated experimentally. The optical performance of the devices is characterized experimentally in an imaging scheme. The proposed lens can be integrated into modern miniature cameras to provide huge advantages by increasing the quality of recorded images via generating desired wavefront forms, changing the focus, etc.

Les lentilles à cristaux liquides (CL) ajustables (TLCL en anglais) de différents diamètres sont activement développées pour différentes applications d'imagerie, telles que les caméras de téléphones intelligents et de surveillance, l'ophtalmologie, la réalité virtuelle et augmentée, etc. Grâce à l'anisotropie diélectrique et optique des matériaux CL, un changement dynamique de distance focale de la lentille est possible sans changer sa forme ou sans utiliser de mouvement mécanique, en appliquant un champ électrique externe. Cette thèse présente le projet de recherche, visant à créer un système de piège photographique pour l'observation des lemmings subnivéenne dans l'Arctique canadien. En particulier, il se concentre sur la partie optique du projet multidisciplinaire : concevoir une lentille à CL avec un foyer ajustable afin de rendre la caméra adaptative et d'obtenir une meilleure qualité d'image ou de vidéo. Les conditions environnementales extrêmes nécessitent une conception de TLCL particulière, qui fournira la puissance optique (PO) nécessaire, mais en même temps aura une faible consommation d'énergie et fonctionnera sans panne pour les températures froides. Dans le chapitre d'Introduction, un bref résumé des études d'observation des lemmings est présenté ainsi que des exemples de piégeage photographique d'animaux du monde entier. La deuxième partie d'Introduction est consacrée aux matériaux CL et aux différentes conceptions de TLCL. Des conceptions alternatives de lentilles adaptatives et des approches pour étendre la profondeur de champ sont également brièvement discutées. Le piégeage photographique dans l'Arctique présente de nombreux défis liés aux conditions météorologiques extrêmes et à son emplacement éloigné. Par conséquent, nous avons commencé le projet avec une conception de système de piège photographique qui peut surmonter ces défis et nous fournir des résultats préliminaires sur le terrain. Les particularités de la conception optique et mécanique de l'appareil sont expliquées dans le Chapitre 1 et les premières images de lemmings en Arctique sous la neige en hiver sont présentées. Les spectres de transmission des fenêtres optiques utilisées dans les pièges photographiques sont ajoutés en Annexe A. Pour rendre la caméra adaptative, nous avons commencé avec la conception bien connue de la lentille CL - lentille à contrôle modal, et avons étudié ses performances aux températures requises pour le projet (d'environ -20 ° à +20 °) - Chapitre 2. Afin d'assurer la bonne performance de la lentille malgré un changement de température considérable, nous avons mesuré expérimentalement les paramètres du matériaux (CL et couche faiblement conductrice ou WCL en anglais). Ensuite, la modélisation théorique de la lentille à contrôle modal a été effectuée pour optimiser la conception de la lentille et des échantillons expérimentaux ont été fabriqués et testés dans la plage de température requise. Nous avons trouvé un moyen d'athermaliser la lentille à contrôle modal, afin de pouvoir maintenir les mêmes POs et la même qualité d'image. Cependant, le WCL reste pas optimal pour les environnements avec des températures variables car sa résistance en dépend fortement. De plus, il est difficile de fabriquer du WCL et de contrôler sa résistance de surface. Par conséquent, dans le Chapitre 3, nous proposons une nouvelle conception d'une lentille à CL, basée sur une structure en spirale de oxyde d'indium-étain (ITO en anglais). Elle présente de nombreux avantages en termes de simplicité de fabrication, de moindre dépendance à la température, de consommation électrique, etc. Cette approche est également prometteuse pour d'autres applications d'imagerie telles que l'ophtalmologie, l'endoscopie et la réalité augmentée. Dans les Annexes B et C des voies possibles d'implémentation des letilles à CL dans les caméras sont démontrées. Outre la dépendance à la température, une limitation majeure de l'imagerie CL est la diffusion de la lumière. Dans le Chapitre 4, nous explorons différentes manières de post-traitement d'image qui aident à réduire la dégradation de la qualité d'image causée par la diffusion de la lumière dans les CL et ouvre les nouvelles possibilités pour l'implémentation des TLCLs dans les appareils d'imagerie. / Tunable liquid crystal (LC) lenses (TLCLs) of different diameters are actively developed for different imaging applications, such as smartphone and surveillance cameras, ophthalmology, virtual and augmented reality, etc. Thanks to the dielectric and optical anisotropy of LC materials a dynamic change of focal distance of the lens is possible without changing its shape or without using any mechanical movement, by applying an external electric field. This thesis presents the research project, aiming at creating a camera trap system for subnivean lemming observation in the Canadian Arctic. In particular, it is focused on the optical design part of the multidisciplinary project: designing a LC lens with tunable focus in order to make the camera adaptive to achieve better image or video quality. Extreme environmental conditions require a particular TLCL design that would provide the necessary optical power (OP), but at the same time would have low power consumption and work without failures at cold temperatures. In the introductory chapter a brief summary of lemming observation studies is presented along with examples of animal camera trapping from around the world. The second part of Introduction is dedicated to the LC materials and different designs of TLCLs. Alternative designs of adaptive lenses and various approaches to extend the depth of field are also briefly discussed. Camera trapping in the Arctic has a lot of challenges related to the extreme weather condition and its remote location. Therefore, we started the project with a design of camera trap system that can overcome these challenges and provide us preliminary field results. The particularities of optical and mechanical design of the device are explained in Chapter 1 and first images of lemmings in the Arctic under snow during winter are presented. The transmission spectrums of the optical windows used in the camera traps are shown in Appendix A. To make the camera adaptive we started with a well known design of LC lens - modal control lens and studied its performance at the temperatures required for the project (from around -20°C to +20°C) - Chapter 2. In order to ensure good performance of the lens despite of considerable temperature change, we experimentally measured the material parameters (LC and weakly conductive layer or WCL) temperature dependence. Then theoretical modelling of modal control lens was performed to optimize the lens design and experimental samples were fabricated and tested in the required temperature range. We found a way to athermalize the modal control lens, so that we could maintain the same OPs and image quality. However, the WCL remains not optimal for environments with varying temperatures since its resistance strongly depends on it. Moreover, it is difficult to fabricate WCL and control its sheet resistance. Therefore, in Chapter 3 we propose a new design of an LC lens, based on a spiral indium tin oxide (ITO) structure. It has numerous advantages such as simple fabrication, smaller temperature dependence, lower power consumption, etc. This approach is also promising for other imaging applications: ophthalmology, endoscopy and augmented reality. In Appendices B and C some possible ways of LC lenses implementation in cameras are demonstrated. Along with the temperature dependence, a major limitation in LC imaging is light scattering. In Chapter 4 we explore different ways of image post-processing that help to reduce image quality degradation caused by LC light scattering and open new possibilities for TLCLs implementation in imaging devices.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3400. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Contribution à l’étude de la réflectance et du confinement des modes dans les systèmes optiques stratifiés Résumé : Ce travail prolonge les études du changement de réflectivité des systèmes optiques stratifiés sous des contraintes mécanique et électrique. D’abord, nous quantifions le déplacement de la bande interdite photonique suite à une modification de l’angle d’incidence. Il en dérive une technologie bio-inspirée. Ensuite, c’est un champ électrique externe qui contrôle les propriétés de réflexion et de polarisation d’une multicouche construite à partir de cristaux liquides. Enfin, nous distinguons deux manières de confiner l’énergie électromagnétique. Ce travail s’attache à comprendre la nature des modes qui se propagent à la surface des milieux stratifiés. Par ailleurs, il montre que l’association de matériau gauche et de matériau droit pour former un guide d’onde permet de réduire la vitesse de la lumière de plusieurs ordres de grandeur. Contribution to the study of the reflectance and the mode confinement in optical stratified systems Abstract : This work extends the studies of change in reflectance in optical stratified systems under mechanical and electrical constraints. In the first part, we quantify the shift of the photonic bandgap following, a modification in the angle of incidence. We define the tools for the design of bio-inspired Bragg mirrors. In the second part, we adjust the reflection properties of a multilayer stack made of liquid crystals with an external electric field. Furthermore, we examine two distinct ways of producing light confinement. First, we contribute to the understanding of the nature of electromagnetic modes propagating at the surface of stratified media. Second, we show that a waveguide made of left- and right-handed materials can reduce the speed of light by several orders of magnitudes.