Concevoir une lentille, que ce soit pour l'astronomie, la microscopie ou la vision numérique, est un problème de taille visant à trouver un compromis idéal entre la qualité d'image et les différentes contraintes. Par une procédure d'essais-erreurs, une approche typique consiste à sélectionner un point de départ parmi une banque de designs optiques puis à l'optimiser dans l'espoir de satisfaire les présents requis. Cette approche n'exploite pas pleinement la montagne d'information contenue dans les banques de designs : un seul de ces designs contribue au problème à la fois, et seulement s'il répond approximativement aux spécifications et à la configuration désirée. Comment peut-on faire mieux ? L'hypothèse de départ de cette thèse est que l'on peut utiliser l'apprentissage automatique pour extraire et exploiter les caractéristiques communes aux designs de haute qualité que l'on retrouve dans ces banques de données. Concrètement, ces designs conçus par des experts contribuent à l'entraînement d'un modèle d'apprentissage profond qui prend en entrée les spécifications désirées et retourne tous les paramètres nécessaires pour modéliser une lentille. Le contenu de cette thèse, qui détaille le développement de ce cadre d'extrapolation de lentilles, peut se résumer en trois principales contributions. Premièrement, nous définissons et validons un objectif d'entraînement qui compense pour la rareté des données disponibles, soit en intégrant le problème d'optimisation de lentilles directement à la boucle d'entraînement du modèle. Deuxièmement, nous élaborons un modèle dynamique qui acquiert une représentation commune pour toutes les lentilles indépendamment de leur configuration, ce qui nous permet d'extrapoler la banque de designs pour générer des lentilles sur de nouvelles configurations. Troisièmement, nous ajustons le cadre pour refléter le caractère multimodal de la conception afin d'inférer plusieurs lentilles de structures différentes pour n'importe quel ensemble de spécifications et de configuration de lentille. Avec une portée adéquate et un entraînement réussi, ce cadre d'extrapolation de lentilles représente un outil inédit pour la conception optique : une fois le modèle déployé, il permet d'obtenir sur demande des points de départ de haute qualité, variés et sur mesure, et ce, en un temps minimal. / Designing a lens, whether for astronomy, microscopy, or computer vision, is a challenging task that seeks an ideal balance between image quality and various constraints. Through a trial-and-error process, a typical approach consists in selecting a starting point in a lens design database and optimizing it to hopefully satisfy the problem at hand. This approach, however, does not fully harness the wealth of information contained in lens design databases: only one such design contributes to the problem at a time, and only if it approximately meets the desired specifications and configuration. How can we do better? The premise of this work is that machine learning can be used to extract and exploit the common features of the high-quality designs contained in lens design databases. Specifically, the expertly conceived designs that compose these databases are used to guide the training process of a deep learning-based model, which receives the design specifications as input and returns all the parameters needed to fully represent a lens. The content of the thesis, which details the development of this lens design extrapolation framework, can be summarized in three main contributions. First, we define and validate a training objective that compensates for the scarcity of available data, by integrating the lens optimization problem directly into the model training loop. Second, we develop a dynamic model that acquires a common representation for all lenses regardless of their configuration, allowing us to extrapolate the lens database to generate lenses on new, unseen configurations. Third, we extend the framework to capture the multimodal nature of lens design, so that multiple lenses with different structures can be inferred for any given set of specifications and configuration. With a suitable scope and a successful training process, this lens design extrapolation framework offers a new and valuable tool for lens designers: once the model is deployed, only a minimal amount of time is required to obtain varied, high-quality starting points that are tailored to the desired specifications.

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.

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

Nous présenterons dans ce mémoire un composant à cristaux liquides électriquement variable pouvant présenter différentes fonctions optiques interchangeables en temps réel. Il peut être utilisé comme une lentille sphérique variable, puis commuté en un prisme variable, pouvant également commuter sous des formes de lentilles atypiques comme une lentille de Powell ou encore un axicon, etc. Cette cellule est réalisée en utilisant une couche faiblement conductrice dans l’approche dite de "contrôle modal" avec une électrode périphérique segmentée. La conception proposée permet d’accéder à des contrôles supplémentaires en choisissant les valeurs de fréquence et de tension appliquées aux différentes électrodes périphériques. Bien que le composant n’ait pas d’électrodes dans la zone d’ouverture, il permet de générer une grande variété de fronts d’ondes et de faisceaux (tels que gaussien, Bessel, Airy, etc.). Ce composant est un puissant dispositif permettant l’optique adaptative pouvant être utilisé dans de nombreuses applications photoniques. / An electrically variable liquid crystal component is presented that can perform various optical functions that are interchangeable in real time. It can be used as a variable spherical lens, then may be switched into a variable prism, axicon, etc. This is achieved by the use of a weakly conductive layer in the so called “modal control” lens approach with a segmented peripheral electrode. The proposed design enables important additional control tools via the choice of the frequency and voltage values that are applied to peripheral electrode segments. Despite the fact that the component has no electrodes in the clear aperture area, it allows the generation of rich variety of wavefronts and beams (such as Gaussian, Bessel, Airy, etc.) transforming it into a powerful adaptive optical device that can be used in many photonic applications.

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

Une lentille à cristaux liquides est un volume fixe de molécules anisotropes dont l'orientation spatiale de celles-ci peut être modifiée radialement afin d'obtenir un effet lentille. La réorientation des molécules de cristaux liquides se fait à partir d'un certain profil de champ électrique. La grandeur de ce profil de champ électrique peut être changée en modifiant les signaux électriques d'alimentation, modifiant ainsi la puissance optique de la lentille. Cette propriété de distance focale variable leur donne de nombreuses applications d'imagerie où les dimensions sont restreintes et ne permettent pas de déplacement relatif entre différentes lentilles classiques. Les travaux de recherche effectués pendant la maîtrise portaient sur le développement d'un nouveau design de lentille à cristaux liquides. Plus spécifiquement, ce nouveau design devait simplifier considérablement le modèle de lentille présentement existant qui utilise une couche mince semi-conductrice afin de générer le profil de champ électrique. Cette couche mince semi-conductrice est difficile à concevoir, car elle requiert d'être isolée par plusieurs autres couches minces, rendant ainsi sa reproduction exacte difficile à accomplir. Le profil de champ dans le nouveau design de lentille est généré à partir de deux électrodes d'oxyde d'indium-étain (ITO) en forme de serpentin ainsi qu'avec quatre signaux alternatifs ayant chacun une phase bien spécifique. Une modification de la phase de ces quatre signaux permet d'obtenir soit une lentille sphérique, un prisme cale, un axicon ou bien une lentille cylindrique. De plus, les limites des dimensions de l'électrode d'ITO en serpentin seront montrées ainsi que leurs effets sur le profil de champ électrique. Des lentilles avec des diamètres de 2 mm, 3 mm, 4 mm et 5 mm ont été conçues pendant la maîtrise. Les propriétés d'imagerie de la lentille de 2 mm ont été caractérisées à partir d'un montage de polarimétrie, d'un capteur Shack-Hartmann et d'un montage de « Point Spread Function » (PSF). / A liquid crystal lens is a fixed volume of anisotropic molecules whose spatial orientation can be radially changed in order to obtain a lens effect. The reorientation of liquid crystal molecules occurs from a certain electric field profile. The magnitude of this electric field profile can be modified by changing the electrical power signals, thereby changing the optical power of the lens. This property of variable focal length gives them many imaging applications where dimensions are restricted and do not allow relative displacement between different conventional lenses. The research work carried out during the master's degree focused on the development of a new liquid crystal lens design. More specifically, this new design greatly simplifies the currently existing lens model which uses a semiconductor thin film to generate the electric field profile. This semiconductor thin film is difficult to design, since it requires isolation by several other thin films, thus making its exact reproduction difficult to accomplish. The field profile in the new lens design is generated from two coil-shaped indium tin oxide (ITO) electrodes as well as four AC signals each with a very specific phase. A modification of the phase of these four signals makes it possible to obtain either a spherical lens, a wedge prism, an axicon or acylindrical lens. In addition, the size limits of the serpentine ITO electrode will be shown as well as their effects on the electric field profile. Lenses with diameters of 2 mm, 3 mm, 4 mm and 5 mm were designed during the master's degree. The imaging properties of the 2 mm lens were characterized from a polarimetry setup, a Shack-Hartmann sensor and a Point Spread Function (PSF) setup.

Les avancées technologiques concernant la microscopie ont permis la création d'une grande variété de systèmes optiques dédiés à l'investigation du comportement dynamique des cellules in vivo. En neuroscience, le dé réside dans l'observation des interactions entre des neurones marqués d'un fluorophore qui sont situés à différentes profondeurs dans le tissu. Afin d'y arriver, il est nécessaire de balayer l'échantillon sur plusieurs plans transverses pour couvrir entièrement son volume. Puisque cette procédure diminue la résolution temporelle, il a été proposé d'utiliser un axicon pour augmenter la profondeur de champ du microscope et réduire le nombre de balayages à effectuer. Cependant, l'axicon est di cile à fabriquer et possède généralement des défauts sur la pointe du cône, dégradant ainsi la qualité de la composante. En vue de remplacer l'axicon par une autre composante optique dont la fabrication n'entraîne pas de défaut, il a été envisagé d'utiliser une lentille à gradient d'indice couplée à une lentille simple (GRIN-axicon). Des simulations ont montré que le GRIN-axicon a le potentiel de produire un faisceau Bessel de bonne qualité. Toutefois, les tests expérimentaux ont été très brefs et il est nécessaire d'investiguer davantage le comportement de cette nouvelle composante en laboratoire. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de concevoir, fabriquer et caractériser un GRIN-axicon pour une application en microscopie multiphotonique. Comme objectif secondaire, on souhaite approfondir la théorie reliée à cette nouvelle composante. / Technological advances in microscopy have led to the creation of a wide variety of optical systems dedicated to the investigation of the dynamic behavior of cells in vivo. In neuroscience, the challenge lies in the observation of interactions between labeled neurons located at different depths in the tissue. In order to achieve this, it is necessary to scan the sample on several transverse planes to fully cover its volume. Since this procedure decreases the temporal resolution, it has been proposed to use an axicon to increase the depth of field of the microscope and reduce the number of scans to be performed. However, the axicon is di cult to manufacture and usually has defects on the tip of the cone, thus degrading the quality of the component. In order to replace the axicon by another optical component easier to manufacture, the use of a graded index lens coupled to a single lens (GRIN-axicon) was considered. Simulations have shown that the GRIN-axicon has the potential to produce a good quality Bessel beam. However, experimental tests have been very limited and it is necessary to further investigate the behaviour of this new component in the laboratory. The objective of this master's project is therefore to design, manufacture and characterize a GRIN-axicon for application in multiphoton microscopy. As a secondary objective, we wish to deepen the theory related to this new component.

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.

Les particularités des lentilles panoramiques font de leur caractérisation un défi. Pour les applications de vision, une connaissance de la distorsion est essentielle pour produire des vues naturelles. Aussi, toutes les directions étant importantes, la qualité de l'image doit être uniforme sur tout le champ de vue. Nous avons donc développé un banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Avec des cibles référencées, nous avons obtenu avec rapidité et facilité les profils de distorsion, ce qui a permis de calculer la résolution instantanée linéaire sur tout le champ de vue. Également, des cibles inclinées ont été utilisées pour déterminer la fréquence spatiale où la MTF est de 50% en fonction de l'angle dans le champ de vue. À l'aide de deux caméras, nous avons testé deux lentilles panomorphes et deux lentilles fisheyes pour lesquelles nous avons calculé la résolution instantanée et les courbes de MTF et comparé certains résultats à des simulations.

Suite au développement récent des méthodes de production, les lentilles à forme libre sont de plus en plus utilisées dans les designs optiques. Néanmoins, leurs définitions mathématiques et leurs formes particulières rendent leur tolérancement et leurs réactions aux perturbations d’alignement difficilement prévisibles. Par conséquent, les outils à la portée des concepteurs optiques, tels que les logiciels de conception optique, ne sont pas toujours en mesure de fournir l’aide nécessaire. Dans ce mémoire, nous présentons d’abord les concepts théoriques et les récents développements relatifs à ces notions. Par la suite, l’analyse d’une lentille panomorphe dont la première surface est une lentille à forme libre nous révèle nombres de comportements particuliers mettant en évidence des relations entre l’empreinte du faisceau et la courbure de champ. Finalement, une nouvelle technique de tolérancement est présentée. Via une analyse en perturbative nécessitant peu de temps de calcul, il est possible de réduire les marges d’erreur allouées sur certaines variables, tout en maximisant l’effet sur la qualité d’image. Cette technique s’est avérée particulièrement efficace dans le cas où l’ajustement de la mise au point (mise au foyer) est limité spatialement. / In light of the new development of the production methods, free-form lens are used more frequently in optical design. However, their mathematical definitions as well as their specific shapes tend to make their tolerancing and reactions to perturbations hardly predictable. In consequence, the tools used by optical designers, like optical design programs, are not always able to help as they should. First, this document presents the recent developments and the theoretical concepts concerning these subjects. Thereafter, the analysis of a panomorph lens which has a free-form lens as a first surface reveals numbers of particular behavior showing relations between the field curvature and the footprint. Finally, a new tolerancing technique is presented. Using a perturbative analysis requiring a minimum of computing power, it is possible to reduce the allowed margins of error of certain variables while maximising the gain in image quality. This technique was particularly efficient in cases where the adjustment of the focus was spatially limited.