Ce travail a été consacré au développement d'instrumentation optique pour des applications biomédicales. La technique que nous utilisons est la polarimétrie. Nous avons développé deux instruments : un polarimètre de Mueller en réflexion et un appareil médical dédié à l'examen du col utérin (colposcope) pour l'imagerie en degré de polarisation en temps réel. Les applications ont été de deux types : la visualisation des brûlures radiologiques à un niveau infraclinique et l'amélioration du diagnostic du cancer du col utérin.

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets métalliques spéculaires par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces métalliques. Après réflexion sur la surface, la lumière inci- dente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à un éclairage actif. Nous décrivons et comparons ensuite différentes méthodes de reconstruction tridimensionnelle de surfaces à partir d'un champ de normales. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et nous en présentons une application pour la détection de défauts de forme.

L'imagerie à travers les milieux turbides comme le brouillard, les tissus, les colloïdes, etc. répond à plusieurs besoins de la vie courante. L'imagerie à travers de tels milieux diffusants est un défi auquel peuvent répondre les nouveaux systèmes d'imagerie, la théorie de l'information et l'étude des lois de transport de la lumière dans les milieux aléatoires. La thèse est divisée en deux parties adressant deux modalités d'imagerie différentes, à savoir : l'imagerie de contraste polarimétrique et l'imagerie modulée en intensité. Dans les deux cas, des systèmes d'imagerie en temps réel sont proposés et mis au point. Leurs performances sont évaluées à la fois théoriquement et expérimentalement. Dans la première partie de la thèse, une caméra polarimétrique à deux canaux instantanés conçue autour d'un prisme de Wollaston est utilisée pour imager de manière optimale une source de lumière polarisée noyée dans un brouillard. Une expérience en situation réelle a été mise en place à proximité du campus de Beaulieu à Rennes. La source est placée sur une tour de télécommunication située à plus d'un kilomètre du système imageant. Les données acquises dans diverses conditions météorologiques montrent que l'efficacité de cette caméra polarimétrique dépend de la corrélation du bruit de fond dans les deux images initiales. Ceci a été confirmé grâce à une analyse fondée sur la théorie de l'information qui montre que le contraste polarimétriques maximal est obtenu par une combinaison linéaire des deux canaux polarimétriques dont la pondération dépendant de la corrélation du bruit de fond dans les deux canaux. Un système de détection, intégrant cette représentation polarimétrique optimale, a été développé pour explorer de bout en bout les capacités offertes par l'imagerie polarimétrique à deux canaux à travers le brouillard. Ces études trouvent des applications directes dans le transport par temps dégradé, y compris pour l'aide à l'atterrissage d'aéronefs. Dans la même logique, la deuxième partie de la thèse porte sur l'apport de la modulation d'intensité plein champ pour imager les photons balistiques dans les milieux diffusants. En utilisant de concert la théorie de la diffusion et la théorie de l'information, nous avons pu montrer que, pour un budget de photons donné, il existait une fréquence de modulation minimale pour laquelle le filtrage de photons balistique devient efficace. Cette fréquence dépend des propriétés de diffusion du milieu intermédiaire et se trouve être dans la gamme du MHz en situation réelle. L'imagerie en temps réel à de telles fréquences étant un vrai défi, nous avons proposé un système de démodulation plein champ inédit basé sur l'utilisation d'un cristal électro-optique. Ce système d'imagerie, dont nous avons breveté le principe, est en mesure de démoduler avec une caméra standard une scène en temps réel et en plein champ à des fréquences de plusieurs MHz (voire GHz) sans synchronisation de phase. Un prototype de ce système a été développé permettant de confirmer qu'il était robuste, portable et rentable. Le travail présenté dans cette thèse ouvre la voie à la mise en œuvre de systèmes d'imagerie de pointe fonctionnant dans des situations réelles, allant de l'imagerie biomédicale, à la sécurité. / Imaging through turbid media like fog, tissues, colloids etc. has various applications in real-life situations. The problem of imaging through such scattering media presents a challenge that can be addressed by using novel imaging schemes, information theory and laws of light transport through random scattering media. The thesis is divided into two parts corresponding to two different imaging modalities, namely, polarimetric contrast imaging and intensity modulated light imaging. In both the cases, advanced imaging systems, capable of imaging in real-time are used and their performances are evaluated both theoretically and experimentally. In the first part of the thesis, a two-channel, snapshot polarimetric camera, based on a Wollaston prism is used to attain optimal imaging of polarized light source through fog. An original outdoor experiment is setup in the vicinity of the campus Beaulieu in Rennes, France, where a source is placed on a telecommunication tower more than a kilometer away from the imaging system. Data acquired in various weather conditions show that the efficiency of the two-channel polarimetric camera depends on the background noise correlation in the two images. Further, this was confirmed using an information theoretical analysis, which showed that a polarimetric contrast maximizing image representation is a linear combination of the two polarimetric images whose weights depend on the background noise correlation. Based on the derived optimal polarimetric representation, a detection scheme was presented, leading to an end-to-end study of two-channel polarimetric imaging through fog that may be useful in transport applications like aircraft landing/taxiing in degraded weather. The second part of the thesis deals with intensity modulated light and its potential for ballistic photon imaging through scattering media. First, using the diffusion theory of photon transport and information theory, it was shown that for a given photon budget, ballistic imaging can be achieved for a minimum modulation frequency that depends on the scattering properties of the intervening medium. In real-life situation, the minimum frequency can be in the range of MHz. Real-time imaging at these frequencies is a challenge. Hence, a novel demodulation camera system based on electro-optics was proposed and patented. The imaging system is capable of real-time, full-field demodulation at frequencies of several MHz (potentially, in GHz as well), without requiring a phase synchronized source. A prototype of the imaging system was developed and shown that a demodulation camera based on the proposed design is robust, portable and cost-effective. Finally, the work presented in this thesis pave way for implementation of advanced imaging systems in real-life situations, varying from biomedical imaging to transport safety.

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets métalliques spéculaires par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces métalliques. Après réflexion sur la surface, la lumière inci- dente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à un éclairage actif. Nous décrivons et comparons ensuite différentes méthodes de reconstruction tridimensionnelle de surfaces à partir d'un champ de normales. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et nous en présentons une application pour la détection de défauts de forme.

Nous présentons d'abord un système de tomographie optique fonctionnant en lumière blanche, avec un interféromètre de Linnik. La résolution tomographique obtenue est de l'ordre de 1,2 m dans l'air. Les capacités de l'instrument sont illustrées par des images tomographiques d'intérêt biomédical. D'autre part, nous présentons un polarimètre de Mueller à cristaux liquides nématiques optimisé pour la propagation des erreurs de mesures brutes aux images finales. Les mesures sont rapides (de l'ordre de la seconde) et précises (erreurs de l'ordre de 1%). Les images polarimétriques de coupes histologiques montrent l'intérêt de ce dispositif pour l'étude microscopique d'échantillons contenant des macromolécules fibreuses (collagène). Enfin, des images en degré de polarisation (DOP) de cols de l'utérus humains ex vivo viennent confirmer les possibilités de l'imagerie polarimétrique pour la détection de dysplasies (DOP plus élevé que dans les zones saines).

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d’un système de reconstruction tridimensionnelle d’objets transparents par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d’abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces transparentes. Après réflexion sur la surface, la lumière incidente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l’angle d’incidence et de l’indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L’ambiguïté concernant l’orientation des normales est ici levée grâce à l’utilisation d’un éclairage multispectral dont la difficulté de calibration est expliquée dans ce manuscrit. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et présentons des résultats de reconstruction 3D sur des objets parfaitement calibrés. / This thesis deals with a new automated tridimensional inspection system for transparent surfaces, based on polarization analysis. We first present an extension of the ‘Shape from Polarization’ method for transparent surfaces. After being reflected, an unpolarized light wave becomes partially linearly polarized, depending on the surface normal and on the refractive index of the media it impinges on. Hence, by measuring the polarization parameters of the reflected light, the surface normals are computed. The ambiguity concerning the normal orientation is solved here with a multispectral lighting system. Finally, the description of the whole acquisition prototype is given as well as some experimental results on calibrated objects are presented.

La polarisation de la lumière, phénomène physique parfaitement maîtrisé, a été introduit depuis une dizaine d'années seulement dans le domaine de l'imagerie. En effet, tout comme l'œil humain, les capteurs ne sont pas, par construction, sensible à la polarisation de la lumière. Cette propriété particulièrement intéressante ne peut être obtenue qu'en ajoutant des composants optiques aux caméras classiques. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un système à la fois stéréoscopique et sensible à l'état de polarisation. En effet, de nombreux insectes dans la nature, comme les abeilles par exemple, ont la capacité à s'orienter dans l'espace et à extraire des informations pertinentes issues de la polarisation. Le prototype ainsi développé doit permettre de reconstruire en trois dimensions des points d'intérêt tout en associant à ces points un ensemble de paramètres relatifs à l'état de polarisation. Le système proposé ici est constitué de deux caméras équipés chacune de deux composants à cristaux liquides permettant d'obtenir deux images avec des orientations de polarisation différentes. Pour chaque acquisition, quatre images sont obtenues : deux pour chacune des caméras. Le verrou majeur soulevé ici est la possibilité de remonter à des informations de polarisation à partir de deux caméras différentes. Après une première étape de calibration géométrique et photométrique, la mise en correspondance des points d'intérêt est rendue délicate en raison des composants optiques placés devant les objectifs. Une étude approfondie des différentes méthodes de mise en correspondance a permis de sélectionner la méthode la moins sensible aux effets de polarisation. Une fois les points mis en correspondance, les paramètres de polarisation de chacun des points sont calculés à partir des quatre valeurs issues des quatre images acquises. Les résultats obtenus sur des scènes réelles montrent la faisabilité et l'intérêt d'un tel système pour des applications robotiques. / The polarization of light was introduced last ten years ago in the field of imaging system is a physical phenomenon that can be controlled for the purposes of the vision system. As that found in the human eyes, in general the imaging sensors are not under construction which is sensitive to the polarization of light. These properties can be measured by adding optical components on a conventional camera. The purpose of this thesis is to develop an imaging system that is sensitive both to the stereoscopic and to the state of polarization. As well as the visual system on a various of insects in nature such as bees, that are have capability to move in space by extracted relevant information from the polarization. The developed prototype should be possible to reconstruct threedimensional of points of interest with the issues associated with a set of parameters of the state of polarization. The proposed system consists of two cameras, each camera equipped with liquid crystal components to obtain two images with different directions of polarization. For each acquisition, four images are acquired: two for each camera. Raised by the key of main capability to return polarization information from two different cameras. After an initial calibration step; geometric and photometric, the mapping of points of interest process is made difficult because of the optical components placed in front of different lenses. A detailed study of different methods of mapping was used to select sensitivity to the polarization effects. Once points are mapped, the polarization parameters of each point are calculated from the four values from four images acquired. The results on real scenes show the feasibility and desirability of this imaging system for robotic applications.

La polarisation de la lumière est très souvent utilisée en imagerie pour caractériser certaines propriétés de la matière, ou pour mettre en évidence des zones qui ne seraient peu ou pas contrastées avec des caméras d'intensité classiques. Nous explorons le potentiel d'une nouvelle technique de polarimétrie, dite de « brisure d'orthogonalité », pour réaliser des acquisitions de manière simple, directe et à haute cadence. Cette technique d'imagerie par balayage laser repose sur l'emploi d'une source de lumière bi-fréquence bi-polarisation pour sonder les caractéristiques polarimétriques (notamment le dichroïsme ou anisotropie d'absorption) des échantillons imagés.Nous explorons la possibilité du déport de la mesure de « brisure d'orthogonalité » par fibre optique faiblement multimode pour le développement d'endoscopes polarimétriques. Un tel dispositif vise à fournir une méthode de diagnostic rapide pour analyser des tissus biologiques profonds tout en évitant le recours aux biopsies. Nous démontrons, théoriquement et expérimentalement, la compatibilité de cette approche avec un dispositif d'endoscopie commercial (fibre ou bundle multicœurs, légèrement multimodes) pourvu que le nombre de modes guidés soit inférieur à une dizaine. D'autre part, nous présentons la conception, la réalisation, la validation et l'exploitation d'un démonstrateur d'imagerie active par brisure d'orthogonalité dans le proche infrarouge. Ce dernier vise des applications défense de détection et/ou décamouflage de cibles. Après caractérisation des bruits dominants les signaux acquis, nous illustrons l'apport du démonstrateur pour la mise en évidence d'éléments dichroïques. Enfin, nous démontrons que la technique de brisure d'orthogonalité peut être avantageusement, et très simplement, adaptée pour mesurer sélectivement le dichroïsme, la biréfringence, et la dépolarisation, paramètres essentiels à la détection d'objets manufacturés (cibles). Ces trois modalités, lorsqu'elles sont conjuguées, offrent au démonstrateur des capacités d'identification. / Polarimetric imaging is a useful tool to characterize some matter properties, or to highlight regions slightly or not contrasted with intensity cameras. We investigate the capability of a novel polarimetric technique, namely the “orthogonality breaking technique”, to perform direct and straightforward measurements at high speed. Relying on the use of a dual-frequency dual-polarization light source, this imaging modality probes polarimetric features (dichroism, or absorption anisotropy) in imaged samples.We explore the potential to perform orthogonality breaking measurements through few mode optical fibers towards polarimetric endoscopy. Such an imaging device would greatly improve the diagnosis efficiency to analyze in-depth biologic tissues without biopsy surgery. We show, theoretically and experimentally, the compatibility of our approach with a commercial flexible endoscope (slightly multimode multicore fibers or bundle) provided that the number of guided modes remains inferior to a dozen.On the other hand, we describe the design, the development, the validation and the exploitation of an active near infrared imaging demonstrator based on the orthogonality breaking technique for defense target detection applications. After characterization of the acquired signals noise, we illustrate the imager capability to reveal dichroic elements. Finally, we demonstrate that the orthogonality breaking technique can be advantageously and straightforwardly tailored to address selectively the dichroism, the birefringence and the depolarization, which are core parameters for the detection of manufactured objects (targets). The combination of these three modalities grants an identification capability to the demonstrator.

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.

Nous nous intéressons dans cette thèse à deux phénomènes optiques pour lesquels l'influence du bruit de mesure est importante. Dans le premier cas, nous analysons comment une caractérisation précise du bruit permet d'estimer le degré de polarisation de la lumière rétrodiffusée par un objet, à partir d'une unique image d'intensité acquise sous éclairement cohérent. En déterminant une borne sur la variance minimale d'estimation (borne de Cramer-Rao), et en comparant les performances de différents estimateurs, nous caractérisons la précision d'une telle méthode d'estimation. En comparant les performances de cette technique aux performances de méthodes plus standard d'estimation du degré de polarisation qui nécessitent plusieurs images polarimétriques, nous discutons le compromis entre la simplification des systèmes d'imagerie polarimétrique et la diminution de la précision d'estimation.Dans la seconde partie de cette thèse, nous étudions comment lesperformances d'une tâche d'estimation de paramètre (estimation dedéplacement d'une image) ou de discrimination entre deux hypothèses peuvent être améliorées en utilisant des lumières sous-poissoniennes qui présentent un niveau de bruit quantique inférieur à celui d'un bruit poissonien standard. Dans ces deux cas, l'étude des bornes statistiques sur les performances de traitement et les résultats des simulations numériques effectuées nous permettent d'analyser le gain en performance que l'on peut espérer obtenir en remplaçant un faisceau poissonien par une lumière de même intensité présentant des fluctuations sous-poissoniennes.