La lumière est un thème récurrent dans les traités de physique du XVII siècle. Tous les philosophes qui se prononcent vis-à-vis des phénomènes et de la composition du Monde prennent aussi position relativement à la nature et aux propriétés de la lumière. Celle-ci est souvent le levier de leurs réflexions concernant la matière, la présence du vide, la composition et le calcul du mouvement, aussi bien que celles relatives à la psychologie, à la perception sensible et à la représentation du monde. Nous choisissons d’étudier ces thématiques dans la pensée cartésienne et d’analyser les rapports qui se mettent en place entre sa conception lumineuse et sa théorie de la vision, touchant les différents aspects de sa physique aussi bien que ses fondations métaphysiques. Notre travail démarrera avec l'examen de la lumière (I) : nous suivrons l’émergence de la définition de sa nature et de ses propriétés, de Le Monde jusqu'aux Principia Philosophiae, sans perdre de vue les objections présentées dans sa correspondance. L'accent sera déplacé ensuite sur la théorie de la vision (II), avec l’analyse de la physiologie de l'œil et du mécanisme inhérent au traitement des stimuli physiques. L'étude de la couleur sera la clé pour le passage de la description du monde matériel à la création d'une géométrie mathématique. La description de la lumière se déplacera ensuite vers l'analyse de la théorie de la dissemblance, avec l'abandon de toute référence à l’analogie : l'étude du langage naturel et de l’algèbre (III) formera la base de la description de la codification, qui aboutira à la riche diversité des comparaisons cartésiennes. Enfin, à partir des lois de la réfraction et la réflexion (IV), nous étudierons les problèmes optiques, physiques et épistémologiques qui, chez Descartes, constituent le substrat de la conception et de la construction de nouveaux instruments, et de leur possible perfectionnement. / In the XVII century it emerges the definition of a new scientific paradigm that influences a wide variety of research fields ranging from optics to physiology, from geometry to anatomy, all stemmed from the synergic contribution of technological and scientific discoveries, justified and often supported by philosophico-metaphysicals roots. Descartes is a protagonist of a new foundation in the field of optics, promoter of a theory about light and vision, based no longer on the analogy but rather on the dissimilarity. For Descartes, the study of the relationship between an image on an eye’s retina and its mental representation, re-addresses to the study of the nature of the light itself, and to the analysis of the relationship between the natural and perceived light. The starting point will be the theory of light (I) and the research of the definition of its nature and its properties: this will allow us to obtain and overview of the emersion of this issue by taking chronological references from Le Monde until the Principia Philosophiae, and also the main objections encountered in his correspondence. Our attention will then shift on the theory of sight (II), starting from the physiologic analysis of the eye and the inherent mechanism for the processing of physical stimulus. The study of colors emerges as the key factor to comprehend the passage to the definition of a matematico-geometrical model. These will also be the premises for the transition from sight to the theory of ideas. The study of the natural and the mathematical languages (III) will be the base for the description and the codification on the rich Cartesian metaphorical system. Finally, starting from the physical laws of refraction and reflection (IV), we will try to study the optical tools and the physical and epistemological problems that relate to their improvement, and we will specify the necessary requirements for their development.

L’objectivation de produits cosmétiques est une préoccupation importante pour les industriels et pour les consommateurs. La plupart des évaluations demeurent très subjectives du fait de la complexité des phénomènes visuels mis en jeu. Nous proposons d’utiliser les techniques de rendu visuel et de synthèse du visage en 3D pour développer un système d’évaluation quantitative des effets cosmétiques. Cette thèse est composée de trois parties. La première partie présente un dispositif de numérisation 3D du visage humain basé sur une technique de lumière structurée. Le motif prêté est composé de lignes colorées qui sont traitées par bloc et non point par point afin de rendre le système robuste vis-à-vis des conditions d’acquisition. La seconde partie concerne la modélisation de l’interaction lumière-peau basée sur l’approche BSSRDF de Jensen. Ce modèle permet d’extraire des paramètres quantitatifs pour évaluer des propriétés optiques de la peau. Le système d’acquisition 3D du visage est alors complété pour évaluer quantitativement des effets cosmétiques complexes. Une approche plus qualitative par rendu est aussi proposée. La troisième partie est consacrée à l’expérimentation lors d’un essai mené en milieu industriel. Le système se révèle particulièrement efficace pour évaluer quantitativement les effets cosmétiques souvent difficiles à appréhender pour un observateur expert. Cette thèse est valorisée par une proposition de système brevetable pour évaluer des effets cosmétiques complexes. / The objectification of cosmetic products is a major concern for both manufacturers and consumers. Most evaluations methods still very subjective due to the complex visual modifications. We propose to use the techniques of visual rendering and 3D facial synthesis to develop a system of quantitative assessment of cosmetic effects. This thesis consists of three parts. The first part presents a device for human face 3D scanning based on a structured light technique. The projected pattern is composed of colored strips separated by black gaps. Unlikely to the classic approaches, these strips are treated as blocks in the captured image. This procedure makes the proposed system more robust against the variation of the ambient conditions. The second part uses the BSSRDF of Jensen to model the interaction between light and skin. This model allows the extraction of quantitative parameters to assess the optical properties of the skin. The 3D acquisition system is then enhanced in order to be able to quantitatively evaluate the complex effects of the cosmetic product. Another qualitative evaluation approach is also proposed using the 3D rendering. The third part is devoted to experiment results conducted in collaboration with a cosmetic industry. The system is particularly effective to quantitatively evaluate the cosmetic effects which are usually difficult to grasp for an expert observer. Using the work of this thesis a patentable system to evaluate the cosmetic effects is proposed.

L’alliage ternaire InGaN reçoit beaucoup d’attention grâce à son énergie de bande interdite ajustable qui varie entre l’infrarouge et l’ultraviolet. Les matériaux GaN et InGaN sont largement utilisés dans de nombreuses applications telles que des cellules photovoltaïques à haute efficacité, des diodes électroluminescentes ou des diodes laser à forte luminosité allant du bleu au vert ou encore la génération de lumière blanche directe. L’ensemble des propriétés de ce matériau en fait aussi un candidat sérieux pour un certain nombre d’autres applications. Pour concevoir des composants à base d’InGaN, il est cependant vital de déterminer au préalable les propriétés optiques du matériau aux fréquences d’intérêt et il n’existe que très peu voire aucune communication sur les indices du GaN ou de l’InxGa1-xN pour x>0.07. Nous étudions dans cette thèse la croissance par metalorganic chemical vapor deposition et la caractérisation des indices optiques de GaN, d’InN et d’InxGa1-xN avec une concentration en indium variant jusqu’à x=0.14 dans les domaines de fréquence visible et térahertz et discutons la conception et le procédé de fabrication d’une photodiode térahertz ultrarapide. / The InGaN compound is a promising ternary alloy system that receives a lot of attentions thanks to its tunable bandgap that varies from the near infrared region to the near ultraviolet region. InGaN/GaN materials have been widely used in various applications like high efficiency solar cells, high-brightness blue to green light emitting diodes or laser diodes as well as non-phosphor based direct white light generation. The unique set of properties of this material also makes it a suitable candidate for a number of other new applications. However, to design efficient InGaN-based devices, it is a prerequisite to know the optical properties of InGaN films at the frequencies of interest and there is currently very little information on the index of GaN and InxGa1-xN with x>0.07. In this thesis, we study and characterize the optical indices of GaN, InN and InxGa1-xN thin films grown by metalorganic chemical vapor deposition with indium concentration varying up to x=0.14. We discuss the design and fabrication process of an InGaN-based ultrafast terahertz photodiode.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale et théorique du speckle de l'onde diffusée par des hétérogénéités en surface ou en volume des substrats ou des systèmes interférentiels multicouches. La première étude est basée sur le contraste en intensité du speckle diffusé dans chaque direction de l'espace, que l'on étudie pour discriminer les effets d'interface et de volume, ou pour identifier le niveau de diffusion en l'absence d'étalonnage. Des résultats expérimentaux sont présentés pour des surfaces polies et doucies, et des liquides diffusant, avec des niveaux de pertes croissants. Ces résultats sont ensuite complétés par l'étude du déphasage polarimétrique de l'onde diffusée dans le "grain" de speckle. L'écart-type de ce déphasage est calculé et mesuré pour les mêmes échantillons, ainsi que pour des membranes poreuses pour des applications à la caractérisation du colmatage. On obtient ainsi une nouvelle signature pour discriminer les différents effets. Puis le déphasage polarimétrique est utilisé pour l'étude des coefficients d'intercorrélation entre les interfaces d'un système multicouche. Une procédure d'annulation des flux diffusés polarisés est ensuite présentée dans le cadre de théories perturbatives. Les conditions d'annulation sont calculées pour différents types d'échantillons, et obtenues grâce à un réglage en champ lointain et pour chaque direction, de lames polarisantes et déphasantes. Les résultats expérimentaux confirment ces prédictions, pour des surfaces et liquides diffusant. La technique d'annulation est alors étendue pour éliminer de façon sélective les différentes sources de diffusion. On montre ainsi comment annuler de façon sélective la diffusion par une surface ou un volume, ou comment isoler une interface dans un système multicouche. La confrontation des calculs numériques avec les résultats de mesure sont encourageants, et ouvrent une première porte au domaine de l'imagerie en milieu diffusant. Enfin, les problèmes des fortes diffusions sont abordés, et amènent à traiter de l'influence des irrégularités de structure sur les phénomènes de dépolarisation partielle ou totale. Selon la microstructure des composants, la dépolarisation est plus ou moins marquée et impose la dynamique de réduction sélective des flux diffusés. Ce travail trouve des applications dans l'optique sous-marine, l'imagerie du petit animal ou le biomédical, le transport terrestre ou l'avionique, l'environnement, la défense...

A la fin du XVIIIe siècle, l'application des principes de la mécanique exprimés par une analyse mathématique souveraine a permis à Laplace une justification très exacte du mouvement des corps célestes. A cette époque, il lui apparaît nécessaire de mieux connaître les phénomènes terrestres. Dès 1805, Laplace parvient à transcrire en termes mécaniques certains phénomènes physiques avec les mêmes principes qui ont servi à décrire avec exactitude les phénomènes célestes. En 1808, la découverte de la polarisation de la lumière par Malus ouvre un champ d'études immense. Dès 1812, Biot, qui succède à Malus, réussit à décrire dans le cadre de la physique laplacienne, au moyen de mouvements spécifiques des corpuscules lumineux autour de leur centre de gravité, les divers aspects des polarisations chromatique et rotatoire. Les principes mécaniques sur lesquels reposent cette pratique de la science semblent satisfaisants pour justifier des phénomènes, malgré des hypothèses disparates. Mais, des faits nouveaux la déstabilisent: à l'occasion de l'étude des cristaux en lumière convergente, Brewster critique les résultats de Biot qui réagit promptement. Ce dernier étend alors la théorie de la double réfraction des cristaux à un axe, élaborée par Malus, au cas de ceux qui en ont deux. Simultanément, Fresnel donne au système des ondes une avancée rapide sur les mêmes sujets : malgré la persévérance de Biot, la théorie ondulatoire, en concurrence avec la théorie corpusculaire de la lumière, prend de plus en plus d'importance. / At the end of the XVIIIth century, the application of the principles of mechanics expressed by a sovereign mathematical analysis allowed Laplace to justify very accurately the movement of heavenly bodies. At that time, it seemed to him necessary to have a better knowledge of terrestrial phenomena. From 1805, Laplace managed to transcribe in mechanical terms some physical phenomena using with the same principles which served to describe heavenly phenomena with accuracy. In 1808, the discovery of the polarization of light by Malus opened a very large field of research. From 1812, Biot, who replaced Malus, managed to describe the diverse aspects of chromatic and rotatory polarizations within the framework of Laplacian physics, by means of specific movements of the corpuscles of light around their center of gravity. The mechanical principles at the basis of this scientific practice appeared satisfactory to justify phenomena, in spite of disparate hypotheses. But, new facts threw the whole thing back into question : the study of crystals with convergent light caused Brewster to criticize Biot’s results. The latter’s response was quick; he spread the theory of the double refraction of crystals with one axis, elaborated by Malus, to those which have two axes. Simultaneously, Fresnel made the wave theory evolve rapidly on the same subjects : in spite of Biot’s perseverance, this theory, in opposition with the corpuscular theory of light, gradually became prevalent.

Les stratégies de conception architecturale en éclairage naturel peuvent améliorer la qualité et l'habitabilité des espaces intérieurs en augmentant leur relation avec l'extérieur et, dans le cas du Nunavik, le territoire. La photobiologie privilégie également la lumière du jour comme source lumineuse dans les espaces intérieurs pour sa capacité à synchroniser les rythmes biologiques de l’horloge circadienne. Pourtant, ces stratégies demeurent un défi au Nunavik en raison de son climat subarctique, de sa photopériode et géométrie solaire particulières. Cette recherche a pour objectif de développer des représentations de la lumière du jour dans l'architecture du Nunavik, afin d’informer son intégration dans de futurs projets d'architecture. Elle adresse les représentations spatiales d'information quantitative en tant qu'outil approprié pour l'évaluation d'ambiances lumineuses. Celles-ci suggèrent un meilleur dialogue entre architectes et autres intervenants de l'industrie du bâtiment par la communication des qualités spatiales de différents environnements architecturaux. La lumière est représentée pour les parties photopique (vision diurne) et mélanopique (rythmes biologiques) du spectre électromagnétique, mesurées respectivement en lux et Equivalent Melanopic Lux (EML). Un outil numérique basé sur des micro-ordinateurs Raspberry Pi est développé pour des relevés photographiques automatisés à faible coût. Le module caméra associé (RPiCM) permet d’acquérir des images à grande gamme dynamique (HDR), qui mesurent précisément la luminance (cd/m2) pour rendre compte de la perception humaine en relation au chromatisme et à l'intensité lumineuse. Des cartes de dominance photopique/mélanopique sont développées pour identifier les surfaces et composantes architecturales qui contribuent à ces intervalles respectifs. Les patterns lumineux de différents paysages et intérieurs sont évalués par cette variable photobiologique (c’est-à-dire, qui impacte les rythmes biologiques), puis exprimés dans un graphique afin de valider leur potentiel circadien ainsi que les relations intérieur-extérieur. Ultimement, les représentations spatiales informent les initiatives conceptuelles des architectes, et servent d'outil de communication avec d’autres intervenants du bâtiment. / Architectural daylighting design strategies can improve the quality and inhabitability of indoor spaces by increasing their connection with the exterior and, in the case of Nunavik, the land. Photobiology also favours daylight as a light source in indoor spaces for its ability to synchronize the biological rhythms through the circadian clock daily entrainment. Yet, these strategies remain a challenge in Nunavik due to its subarctic climate, photoperiod and solar geometry. The objective of this research is to develop representations of daylight in Nunavik's architecture so as to inform its integration into future architectural projects. It addresses spatial representations of quantitative information as an appropriate tool for assessing light ambiences, suggesting a better dialogue between architects and other stakeholders in the building industry by communicating the spatial qualities of different architectural environments. Light is represented for the photopic (daytime vision) and melanopic (biological clock) portions of the electromagnetic spectrum, measured respectively in lux and equivalent melanopic lux (EML). A digital tool based on Raspberry Pi microcomputers is developed for low-cost automated photographic surveys. The associated camera module (RPiCM) generates High Dynamic Range (HDR) images, which accurately measure luminance (cd/m2) to render human perception in relation to light intensity and chromaticity. Photopic/melanopic dominance maps are developed to identify the surfaces and architectural components that contribute to these respective intervals. Lighting patterns of different landscapes and indoor scenes are evaluated using this photobiological variable, and then expressed in a graphical display so as to validate their circadian potential, and express interior-exterior relations. Ultimately, spatial representations inform architects’ design initiatives, and serve as a communication tool with other building stakeholders.

Titre de l'écran-titre (visionné le 23 mai 2023) / La lumière bleue (ou visible à haute énergie) est de plus en plus présente dans notre environnement. Que l'on pense aux écrans, aux diiodes électroluminescentes et autres nouvelles technologies, nous passons énormément de temps exposés à la lumière bleue. La pandémie de COVID-19 n'a fait qu'exacerber ce constat. Nous proposons d'étudier l'interaction de la lumière bleue avec un déchet métabolique retrouvé dans la lipofuscine de la rétine humaine. Cette molécule est le N-rétinylidène-N-rétinyléthanolamine. Il s'agit d'un produit du cycle visuel qui s'accumule dans le temps dans les cellules de l'épithélium pigmenté rétinien. Actuellement, il existe peu de connaissances sur l'impact de l'exposition chronique à la lumière bleue à dose physiologique. Dans un premier temps, nous nous attarderons sur le développement d'un modèle pertinent pour l'étude de la lumière dans des cellules de l'épithélium pigmenté rétinien. Ainsi, dans le premier chapitre, nous présenterons le travail effectué pour développer un modèle cellulaire différencié, stable et mélanisé. Nous avons observé qu'en conservant les cellules à confluence durant plusieurs semaines elles se différenciaient et présentaient des caractéristiques intéressantes pour notre étude. Dans un second temps, nous nous attarderons sur l'état des connaissances sur la lipofuscine et la lumière bleue. Dans le second chapitre, nous présenterons l'utilisation de ce modèle afin d'étudier l'impact du N-rétinylidène-N-rétinyléthanolamine, un composé de la lipofuscine, et de la lumière visible à haute énergie sur des facteurs cellulaires tels que l'inflammation et l'oxydation. Pour finir, nous discuterons des résultats obtenus et conclurons sur le travail effectué dans cette thèse. / Blue (or high-energy visible) light is increasingly present in our environment. Whether we think of screens, light-emitting diodes and other new technologies, we spend a lot of time exposed to blue light. The COVID-19 pandemic has only exacerbated this finding. We propose to study the interaction of blue light with a metabolic waste found in the lipofuscin of the human retina. This molecule is N-retinylidene-N-retinylethanolamin. It is a product of the visual cycle that accumulates over time in the cells of the retinal pigmented epithelium. Currently, there is little knowledge about the impact of chronic exposure to blue light at physiological doses. First, we will focus on the development of a relevant model for the study of light in cells of the retinal pigmented epithelium. Thus, in the first chapter, we will present the work carried out to develop a differentiated, stable and melanized cell model. We observed that by keeping the cells at confluence for several weeks, they differentiated and presented interesting characteristics for our study. Secondly, we will focus on the state of knowledge on lipofuscin and blue light. In the second chapter, we will present the use of this model to study the impact of N-retinylidene-N-retinylethanolamin, a compound of lipofuscin, and high-energy visible light on cellular factors such as inflammation and oxidation. Finally, we will discuss the results obtained and conclude on the work done in this thesis.

Les écosystèmes marins arctiques sont alimentés à la base de la chaîne trophique par la production de biomasse algale. Alors que l’on croyait la croissance du phytoplancton (algues unicellulaires en suspension dans l’eau de mer) largement limitée à la saison durant laquelle l’océan Arctique est le plus dépourvu de glace de mer, on a découvert que des développements massifs de phytoplancton se produisaient sous la banquise arctique dès le printemps. Il n’est actuellement pas possible de déterminer l’étendue du phénomène et sa contribution, peut-être majeure, à la production primaire marine annuelle, car on connaît peu les mécanismes qui contrôlent la dynamique des floraisons de phytoplancton sous la banquise. Les observations in situ suggèrent que les floraisons sous banquise sont largement conditionnées par l’accès à la lumière visible dans la colonne d’eau. Que savons nous de cette lumière? Nous savons qu’elle est contrainte par les éléments qui se trouvent à la surface de l’océan Arctique (la présence et l’état de la glace de mer), ainsi que par l’atmosphère (en particulier, par les nuages). Mais comment analyser à la fois l’influence de la surface de l’océan et de l’atmosphère qui varient énormément avec le temps et l’espace, sur la lumière disponible pour la production primaire? La télédétection par satellite est un outil puissant pour suivre et étudier les propriétés du système Arctique à différentes échelles spatio-temporelles. Cet outil, combiné dans différents modèles, est utilisé pour déterminer le rôle que jouent les composantes de l’environnement dans les fluctuations de la lumière sous-marine. Ainsi, le premier chapitre de cette thèse porte sur la transmittance de la lumière par l’atmosphère à l’échelle pan-Arctique et on y évalue la tendance multiannuelle entre 2000 et 2016. On trouve que l’atmosphère devient moins transparente d’environ 2% par décennie. Ensuite, au deuxième chapitre, on développe une méthode satellitaire pour quantifier la perte de photons par réflexion dans la glace de mer. La méthode est évaluée par les données de terrain collectées en marge de la baie de Baffin aux printemps 2015 et 2016 pendant la campagne Green Edge. Finalement, au troisième chapitre, on utilise un modèle de propagation de la lumière dans l’atmosphère, qui, combiné au modèle développé au chapitre deux, permet d’évaluer la lumière potentiellement disponible pour la production primaire, à haute résolution temporelle tout au long de la saison de croissance. Ce modèle est appliqué localement, toujours en marge de la baie de Baffin, mais la méthode est développée pour investiguer le régime lumineux sous la banquise n’importe où en Arctique. Cette thèse contribue à l’avancement des connaissances sur la lumière servant à la production primaire et à sa propagation dans le système atmosphère-glace-océan. / Arctic marine ecosystems are fueled by the production of algal biomass. While the growth of phytoplankton (single-cell algae suspended in seawater) was believed to be largely limited to the season during which the Arctic Ocean is mostly free of ice, massive phytoplankton blooms have recently been discovered under Arctic sea ice during spring. It is currently not possible to determine the extent of this phenomenon and its contribution, perhaps major, to annual primary production, because little is known about the mechanisms that control the dynamics of phytoplankton blooms under sea ice. Recent in situ observations conducted to understand this phenomenon suggest that the under-ice phytoplankton blooms are largely conditioned by access to visible sunlight in the water column. This light is constrained by the elements which are on the surface of the Arctic Ocean, in particular the presence and the state of the sea ice which vary enormously with time and space. Likewise, in the atmosphere, the omnipresence of clouds in the Arctic strongly constrains light. How can we analyze both the influence of the surface and the atmosphere on the light available for phytoplankton under sea ice? Satellite remote sensing is a powerful tool for monitoring and studying the properties of the Arctic system at different space-time scales. This tool, combined with different models, is used to determine the role that these different components of the environment play in the fluctuations of underwater light. The first chapter of the thesis deals with the transmittance of light by the atmosphere for which we assess the multi-annual trend between 2000 and 2016 at the pan-Arctic scale. We find that the atmosphere becomes less transparent at a rate of 2% per decade. Then, in chapter two, we develop a satellite remote sensing method to quantify the loss of reflected light in sea ice. This method is validated by field data collected during the Green Edge campaign on the West coast of Baffin Bay during the springs of 2015 and 2016. Finally, in chapter three, we use a model to propagate light in the atmosphere, and, combining it with the model developed in the previous chapter, we assess the potential light for phytoplankton at high temporal resolution throughout the growing season. This model is applied locally, still at a coastal Baffin Bay location (Green Edge campaign), but the method was developed to investigate the light regime under the pack ice anywhere in the Arctic. This thesis contributes to our knowledge on the propagation of light available for photosynthesis in the atmosphere-ice-ocean system and thus helps to better understand the impact of climate change on the Arctic marine ecosystem.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal