Le transport thermique dans les puces électroniques est un excellent exemple des classes de problèmes non encore maîtrisés. Cette difficulté peut être attribuée à de nombreux problèmes qui ne peuvent pas être traités par des moyens classiques. Il est également connu que plus de 50% des défaillances électroniques sont reliées à la thermique. Un problème majeur dans la conception thermique des puces électroniques est lié à des phénomènes thermiques à grande vitesse qui peuvent survenir dans certains composants de tailles micrométriques. Actuellement, les caméras IR commercialisées ont une cadence relativement limitée, soit quelques centaines d'images par seconde, au mieux, ce qui est très lent comparé aux hautes fréquences transitoires impliquées dans le transfert de chaleur dans les puces, soit plus de quelques kHz. Dans ce mémoire, nous proposons une procédure expérimentale qui permet l'amélioration des capacités de la résolution temporelle de systèmes d'imagerie IR. La procédure est basée sur une approche hétérodyne et est utilisée pour l'observation de la température en fonction du temps sur de minuscules microrésistances chauffées par effet Joule de façon périodique. L'approche hétérodyne consiste à utiliser une fréquence d'acquisition pour le système d'imagerie IR qui serait légèrement différente de la fréquence du phénomène de transfert de chaleur sous observation. L'intégration de l'approche hétérodyne à un système d'imagerie IR n'est pas aussi simple qu'il semble être, de nombreux défis doivent être résolus. Nous décrivons ici notre configuration hétérodyne, intégrée à la caméra IR Phoenix MWIR de FLIR Systems (qui présente un taux d'acquisition en trame entière d'environ 90 FIz). Nous avons montré aussi que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possibles par une méthode d'hétérodynage en flash répétés. On utilisera la méthode de Degiovanni qui tient compte des pertes pour l'analyse de la diffusivité dans l'épaisseur (méthode flash ID) et les méthodes Lachi et Philippi pour la diffusivité dans le plan (méthode flash 2D). Contrairement .à l'application microélectronique, nous réalisons ainsi dans le volet thermophysique non seulement une analyse qualitative mais également une analyse quantitative.

La thèse présentée a été effectuée en cotutelle entre l'Institut Polytechnique de Grenoble et l'université Laval à Québec. Les travaux ont impliqué les laboratoires universitaire GIPSA-lab à Grenoble et le Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques de l'Université Laval (LVSN). Notre étude porte sur la segmentation des contours internes et externes des lèvres. L'objectif visé dans notre étude est de proposer un ensemble de méthodes permettant de modéliser précisément la zone de la bouche avec la meilleure robustesse possible. Par robustesse, notre [sic] entendons obtenir une méthode fiable qui ne nécessite pas de réglage de paramètres et qui permette une segmentation fidèle des contours externes et internes de la bouche. Dans un premier temps, une approche combinée région-contour est introduite dans le but d'obtenir une segmentation multi-locuteur de la bouche sur des images de visage en couleurs. Nous décrivons une approche par décorrélation permettant d'augmenter le contraste entre la peau et les lèvres sur des images en couleurs ainsi qu'une étude sur les gradients multi-échelles pour améliorer la robustesse de la modélisation des contours de la bouche. Ensuite nous présentons notre méthode de localisation et de segmentation région-contour de la bouche sur des images de visage en couleurs. Dans un second temps nous nous sommes intéressés à la détection de l'état de la bouche. L'étape de détection de l'état de la bouche est nécessaire à la modélisation de la région interne qui présente une grande variabilité de forme et de texture. Une approche bioinspirée, basée sur un modèle de rétine et de cortex visuel conduisant au calcul d'un spectre Log-polaire, a été développée pour modéliser la zone de la bouche. Ces spectres sont, ensuite, utilisés pour entraîner un réseau SVM destiné à identifier l'état de la bouche. D'autre part, de nombreux auteurs ont suggéré d'utiliser la modalité infrarouge en analyse faciale. Le LVSN possédant une solide expertise dans le domaine de la vision infrarouge, une étude sur la pertinence de la modalité infrarouge dans le cadre de la segmentation des lèvres est proposée. Après avoir localisé la bouche et identifié l'état de la bouche, nous nous intéressons alors à la segmentation des contours externes et internes de la bouche. Un modèle polynomial de contour externe, dont la complexité sera automatiquement adaptée en fonction de la bouche traitée, est présenté. L'aspect de la zone interne de la bouche pouvant varier très rapidement, l'extraction du contour interne est particulièrement difficile. Nous proposons de traiter ce problème par une méthode de classification non-supervisée pour sélectionner les régions internes de la bouche. La méthode de modélisation de contour par un modèle polynomial est par la suite appliquée pour extraire le contour interne de la bouche. Enfin, une analyse quantitative de la performance globale de l'extraction des contours internes et externes est réalisée par comparaison avec des vérités-terrain.

Le rayonnement infrarouge thermique (7.5-14 μm) permet de mesurer à distance la température de surfaces géologiques. Les capteurs de type “microbolomètre”, de bas prix et d’utilisation facile, sont de plus en plus utilisés pour cartographier sur le terrain des anomalies de température. Cependant, des phénomènes tels que l’opacité de l’atmosphère et les réflexions de la surface viennent modifier le signal. De plus, les images doivent être ajustées géométriquement pour être cartographiées. Après avoir proposé un protocole de correction géométrique et radiométrique des mesures, et quantifié les incertitudes résiduelles, quelques exemples sont étudiés pour définir les potentiels et les limites de l’infrarouge thermique en sciences de la Terre. Son potentiel pour la détection de la ligne de rivage a été utilisé lors d’une marée montante pour reconstituer le modèle numérique de terrain (MNT) d’une plage de l’Aber Benoît (Bretagne). D’autre part, un modèle informatique a été développé pour mesurer l’influence de la rugosité sur la température de la surface des planètes. Il a été appliqué au calcul de l’inertie thermique de Mars et de l’astéroïde (2867) Šteins. Enfin, les images infrarouges sont utilisées pour quantifier le flux de chaleur d’une zone sub-fumerollienne de la Soufrière. Ainsi, l’imagerie thermique infrarouge montre un fort potentiel, partiellement inexploité par les études actuelles, notamment pour la cartographie quantitative des contrastes de température à haute résolution. A haute fréquence, elle permet d’étudier la dynamique des phénomènes géologiques. / Thermal infrared (7.5-14 μm) enables the measurement of temperature far fromgeological surfaces. Microbolometers devices are increasingly used in the field in order to mapthermal anomalies. However, phenomena such as atmospheric opacity and surface reflections disturb the electromagnetic signal. In addition, images have to be geometrically adjusted to fit with geographical models. A processing chain is here suggested in order to correct the radiometry and the geometry of images, and the uncertainties are computed. Then, its potential and limitations are considered, through a few examples. First, it has been used in order to detect the waterline evolution of a mud shore during a rising tide, which enables to reconstruct a digital elevation model. Then, a computer model has been developed to study the roughness effects on the surface temperature and on the thermal inertial calculation on Mars and on the (2867) Šteins asteroid. Finally the heat flux of a sub-fumarolian zone has been computed in La Soufrière volcano (Guadeloupe, Lesser Antilles).Thus, thermal infrared remote sensing is very useful in quantitatively mapping the temperatures anomalies with a high resolution. High frequency studies should enable the survey of geological phenomena.

Le parsec central de la Galaxie a été observé à l'aide de spectro-imagerie BEAR haute résolution spectrale (jusqu'à 21 km/s) et moyenne résolution spatiale (0,5"), dans les raies Bracket gamma (2,16 micron) et He I à 2,06 microns, et d'imagerie haute résolution. Ces données ont servi à étudier la population d'étoiles jeunes et massives, la structure et la dynamique des flots de gaz ionisé de Sgr A Ouest. Les résultats obtenus, notamment la séparation des étoiles en un groupe de 6 LBV d'une part (le complexe IRS 16) et plus de 20 Wolf-Rayet d'autre part, ainsi que la résolution de IRS 13E en un amas d'au moins 6 étoiles massives, soutiennent l'idée d'une formation des étoiles jeunes en un amas massif à distance du Centre Galactique. La vision très détaillée de Sgr A Ouest et le modèle cinématique proposé du Bras Nord soutiennent l'idée que ce gaz ionisé est constitué par les fronts d'ionisation de plus vastes nuages neutres étirés par les forces de marée, provenant du Disque circumnucléaire.

De nouveaux concepts d'imagerie permettent aux systèmes optiques d'être plus compacts et plus performants. Parmi ces nouvelles techniques, les systèmes d'imagerie hybrides par codage de pupille allient un système optique comprenant un masque de phase et un traitement numérique. La fonction de phase implantée sur le masque rend l'image insensible à un défaut du système optique, qui peut être une aberration ou de la défocalisation. Cet avantage est obtenu au prix d'une déformation connue de l'image qui est ensuite corrigée par un traitement numérique.L'étude des propriétés de ces systèmes a été effectuée en cherchant à augmenter la profondeur de champ d'un système d'imagerie. Un gain sur ce paramètre permet déjà d'envisager le relâchement de contraintes de conception optique telles que la courbure de champ, la défocalisation thermique, le chromatisme... Dans ces techniques d'imagerie, la prise en compte du bruit du capteur constitue l'un des paramètres critiques pour le choix et l'utilisation de méthodes de traitement d'image.Les travaux menés durant cette thèse ont permis de proposer une approche originale de conception conjointe de la fonction de phase du masque et de l'algorithme de restauration d'image. Celle-ci est basée sur un critère de rapport signal à bruit de l'image finale. Contrairement aux approches connues, ce critère montre qu'il n'est pas nécessaire d'obtenir une stricte invariance de la fonction de transfert du système optique. Les paramètres des fonctions de phase optimisés grâce à ce critère sont sensiblement différents de ceux usuellement proposés et conduisent à une amélioration significative de la qualité de l'image.Cette approche de conception optique a été validée expérimentalement sur une caméra thermique non refroidie. Un masque de phase binaire qui a été mis en œuvre en association avec un traitement numérique temps réel implémenté sur une carte GPU a permis d'augmenter la profondeur de champ de cette caméra d'un facteur 3. Compte-tenu du niveau de bruit important introduit par l'utilisation d'un capteur bolométrique, la bonne qualité des images obtenues après traitement démontre l'intérêt de l'approche de conception conjointe appliquée à l'imagerie hybride par codage de pupille.

Dans cette thèse, nous développons des micro-concentrateurs de lumière en vue d’applications dans l’infrarouge. Les optiques, plates, de dimensions comparables à la longueur d’onde, sont formées d’une couche micronique de métamatériau, constituée de polymère structuré par des trous d’air. Une focalisation dans la zone de Fresnel des structures est recherchée en réalisant un gradient d’indice, obtenu en variant le diamètre des inclusions d’air (de λ//20 à λ/8). Des simulations électromagnétiques sont d’abord effectuées pour valider un design. La fabrication de ces concentrateurs repose sur la structuration d’une couche de photorésine à l’aide d’une technique de lithographie optique 3D à deux photons. Les mesures obtenues par l’imagerie infrarouge des structures montrent l’obtention d’une focalisation en accord avec les simulations pour un volume de concentrateur de 1,5 λ³, en dépit de l’absorption résiduelle de la résine choisie. Les structures proposées sont invariantes dans la direction axiale et peu épaisses, et peuvent donc être transférées dans d’autres types de matériaux ayant des indices de réfraction plus importants, comme le silicium. Les structures proposées peuvent également servir de plateforme pour réaliser un confinement sub-longueur d’onde par l’ajout d’antennes plasmoniques / In this thesis, we develop flat light concentrators for infrared applications. The structures have dimensions comparable with the wavelength and are made of a metamaterial layer (few microns) made of polymer with air holes inclusions. Light focusing in the Fresnel zone of the structures is achieved by a gradient index profile obained by chirping the holes diameter (from λ//20 to λ/8). Electromagnetic simulations are first performed to validate a design. The fabrication of these concentrators is then made by direct laser writing using a 3D two-photon lithography technique. Infrared imaging of the structures reveals a clear focusing of the infrared light for concentrators volume as small as 1,5 λ³, in agreement with the electromagnetic simulations. Considering that the metamaterial concentrator slabs are invariant in the axial direction and not too thick, similar structures can be transferred in transparent substrates such as silicon using deep reactive ion etching. A subwavelength light confinement can also be exploited by adding plasmonic antenna on the top surface of the flat concentrators

Des techniques statistiques de détection d'objet ponctuel dans le ciel ou résolu dans la mer dans des images infrarouges de veille panoramique sont développées. Ces techniques sont adaptées aux inhomogénéités présentes dans ce type d'image. Elles ne sont fondées que sur l'analyse de l'information spatiale et ont pour objectif de maîtriser le taux de fausse alarme sur chaque image. Pour les zones de ciel, une technique conjointe de segmentation et détection adaptée aux variations spatiales de la luminosité moyenne est mise en œuvre et l'amélioration des performances auxquelles elle conduit est analysée. Pour les zones de mer, un détecteur de bord à taux de fausse alarme constant en présence d'inhomogénéités et de corrélations spatiales des niveaux de gris est développé et caractérisé. Dans chaque cas, la prise en compte des inhomogénéités dans les algorithmes statistiques s'avère essentielle pour maîtriser le taux de fausse alarme et améliorer les performances de détection. / Statistical detection techniques of point target in the sky or resolved target in the sea in infrared surveillance system images are developed. These techniques are adapted to inhomogeneities present in this kind of images. They are based on the spatial information analysis and allow the control of the false alarm rate in each image.For sky areas, a joint segmentation detection technique adapted to spatial variations of the mean luminosity is developed and its performance improvement is analyzed. For sea areas, an edge detector with constant false alarm rate when inhomogeneities and grey level spatial correlations are present is developed and characterized. In each case, taking into account the inhomogeneities in these statistical algorithms is essential to control the false alarm rate and to improve the detection performance.

Le suivi des glaces sur le fleuve St-Laurent est primordial, à des fins de sécurité civile, d'efficacité du transport maritime et de surveillance des changements climatiques. Alors que les études des glaces à la dérive sont habituellement locales, ce mémoire présente l'étude d'un tronçon d'environ 250 km sur le fleuve St-Laurent, entre Montréal et Québec, faite par imagerie infrarouge aéroportée. Par l'acquisition de températures de surface et avec une équation de diffusion de chaleur dans les glaces modélisée par éléments finis, le lien entre la température de surface et l'épaisseur des glaces est fait. Diverses caractéristiques supplémentaires des glaces sont extraites (concentration, taille, forme). Certaines limites d'utilisation, en termes de conditions météorologiques (pluie, neige ou brouillard) et en termes d'épaisseur maximale pouvant être détectée, sont toutefois atteintes. La thermographie infrarouge est appropriée au suivi des glaces sur le fleuve StLaurent, mais elle a ses limites comme toute autre méthode. / Surface ice observations on the St. Lawrence River are needed to provide a safe and effective waterway, as weil as to study climate changes. Usually made locally, ice characterization is made on a reach of 250 km between Montreal arid Quebec City, from airbome thermal imaging. lee surface temperatures are acquired, and a heat transfer equation modeled through a finite-element model links these temperatures to ice thicknesses. lee characteristics, such as concentration, size and shape, are also obtained. Operationallirnits in the form of rain, snow and fog, are encountered, as weil as maximum detectable thicknesses due to the physics of heat transfer and to the model used. Overall, infrared imaging is a well-suited technology for drift ice observations on the St. Lawrence River, but it has its lirnits, just as any other technology.

Le volcan actif Mont Nemrut, situé à l'ouest du lac Van, est l'un des volcans les plus importants d'Anatolie orientale. Il possède une caldeira sommitale de 8.5 x 7 km de diamètres. L'activité volcanique du Nemrut a commencé il y a ~ 1Ma et s'est poursuivie jusque dans les périodes historiques. Les éruptions les plus récentes ont été signalées en 1441, 1597 et 1692 A.D. Parmi les volcans anatoliens orientaux, le Nemrut est le volcan le plus dangereux, compte tenu de sa proximité avec des sites urbanisés environnants ; il menace directement 135 000 habitants. Les manifestations actuelles de l'activité volcanique sont représentées par une activité hydrothermale et fumerollienne au sein de la caldeira. L'évolution structurale du volcan se subdivise en deux stades principaux ( pré-caldeira et post-caldeira) séparés par l'effondrement catastrophique de la caldeira. Les produits de l'activité anté-caldeira sont majoritairement représentés par des écoulements et des dômes de lave felsiques. Les séries ignimbritiques du Nemrut et de Kantasi, manifestations majeures de l'activité de la caldeira, sont constituées d'unités pliniennes et d'écoulements ignimbritiques. L'activité post-caldeira est représentée par une activité phréatomagmatique explosive et une activité effusive basaltique-rhyolitique bimodale, concentrées au sein de la caldeira et au niveau de la zone de rift récent du Nemrut, sur le flanc nord. L'analyse des données multisources (études de polarisation spontanée, modèles numériques de terrain et bathymétrie ainsi que de leurs produits dérivés, images Landsat et ASTER) a permis de caractériser la structure de la caldeira du Nemrut et les circulations hydrothermales associées. La synthèse de ces approches pluri-thématiques et des interprétations correspondantes permet de proposer que la caldeira est constituée de 3 blocs principaux, conséquence des processus de fragmentation générés lors des phases d'effondrement. Les frontières délimitant ces blocs et la frontière structurale principale de la caldeira contrôlent les principales activités hydrothermales intra-caldeira. Le régime tectonique régional de compression-extension existant au Pliocène est structuralement enraciné et est responsable du déclenchement du volcanisme du Mont Nemrut. Le jeu de systèmes décrochants surimposés aux structures pré-existantes a provoqué l'apparition d'une zone de faiblesse localisée au sein de laquelle le système volcanique du Nemrut s'est préférentiellement mis en place. La surveillance de l'activité du volcan a été initiée par l'installation d'un ensemble de 3 sismomètres, ce qui constitue le 1er réseau de surveillance sismo-volcanique sur un volcan en Turquie. Les données temps réel sont acquises, traitées et archivées depuis octobre 2003. L'interprétation des signaux volcaniques acquis dans le cadre de cette surveillance sismologique, couplée aux résultats de l'étude du système hydrothermal, confortent clairement l'existence d'une chambre magmatique active localisée aux environs de 4-5 km de profondeur. La surveillance à long terme de ce volcan potentiellement actif est essentielle pour la prévention des risques associés et fournira de plus une base de données essentielle pour une meilleure connaissance et compréhension du mode de fonctionnement de ce volcan.

La peau est un organe particulier de l'organisme dont la fonction principale est un rôle de protection vis-à-vis du milieu extérieur. Cette fonction est assurée grâce à la structure du tissu cutané en trois couches (épiderme, derme, hypoderme). Le derme est responsable de la résistance et de la souplesse de la peau. Le composant moléculaire majeur du derme est le collagène de type I, qui est fortement altéré au cours du vieillissement chronologique. Dans ce contexte, notre étude a pour objectif d'évaluer les modifications moléculaires du collagène dermique associées au vieillissement cutané par spectroscopies vibrationnelles (diffusion Raman et absorption infrarouge). Par déconvolution de la bande Amide I du signal Raman, nous avons mis en évidence, en fonction de l'âge de la peau, des modifications au niveau des interactions entre le collagène et les molécules d'eau ; ce qui reflète un espacement croissant des faisceaux de fibres de collagène au cours du vieillissement. En micro-imagerie infrarouge polarisée, le ratio des bandes Amide I/ Amide II permet d'évaluer l'orientation des fibres de collagène qui deviennent parallèles à la surface de la peau lors du vieillissement. Des expérimentations préliminaires ont également montré la possibilité de localiser sans marquage la jonction dermo-épidermique de la peau grâce aux caractéristiques spectrales du collagène de type IV. Une analyse ciblée de cette structure nécessite de développer de nouveaux instruments basés sur la spectroscopie en champ proche (Tip Enhanced Raman Scattering, NanoIR) ; ce qui devrait permettre de suivre les altérations du collagène de type IV au cours du vieillissement cutané. / Skin is a particular organ of the body whose the main function is a protective role towards the external environment. This function is provided by the structure of skin tissues in three layers (epidermis, dermis, hypodermis). The dermis is responsible for the strength and elasticity of the skin. The major molecular component of the dermis is the type I collagen, which is strongly altered during chronological aging. In this context, our study aims at evaluating the molecular modifications of the dermal collagen associated with skin aging by vibrational spectroscopy (Raman diffusion and infrared absorption). Using curve-fitting of Raman Amide I band, modifications in the interactions between collagen and water molecules were highlighted depending of the donor age. Such result reflects an increasing spacing of the collagen fiber bundles during aging. In addition, the collagen fibers orientation can be evaluated from the amide I/ amide II ratio calculated in polarized infrared micro-imaging. It appeared that the collagen fibers become orientated parallel to the skin surface with aging. Preliminary experiments showed also the ability to localize in a label-free manner the dermo-epidermal junction of the skin using the spectral characteristics of type IV collagen. A precise analysis of this structure requires the development of new instruments based on near-field spectroscopy (Tip Enhanced Raman Scattering, NanoIR); which could permit to follow the collagen IV alterations during skin aging.