L’objectif des travaux présentés dans cette thèse est d’étudier la propagation de la lumière dans les milieux inhomogènes afin de repousser les limites actuelles de l’imagerie : les aberrations et la diffusion multiple. Dans une première partie, nous avons associé les outils et le formalisme initialement développés pour les ondes ultrasonores aux techniques propres à l’optique. Grâce à un dispositif expérimental innovant, nous avons enregistré les réponses d’un milieu complexe pour une collection de champs incidents, formant ainsi une matrice de réflexion. Une étude des corrélations spatiales de cette matrice permet alors de séparer les contributions de diffusion simple et multiple. Alors que la première permet de former une image seulement limitée par la diffraction d’un objet enfoui au sein du milieu, la seconde permet de caractériser les paramètres de transport de la lumière dans le milieu.La seconde partie de ma thèse s’est intéressée à la possibilité d’extraire une information cohérente à partir d’un champ aléatoire. Il a été démontré, en acoustique et en sismologie notamment, que la corrélation d’un champ incohérent mesuré en deux points permettait d’estimer la réponse impulsionnelle entre ces deux mêmes points. Dans ma thèse, nous avons étendu cette approche aux ondes optiques. En particulier nous avons démontré la mesure de réponses impulsionnelles entre des diffuseurs individuels à l’aide d’une simple lampe halogène et d’un montage interférométrique. A la suite de cette preuve de principe, nous avons réalisé des estimations de paramètres de transport pour des milieux fortement diffusants. / My thesis was devoted to the study of the propagation of optical waves in inhomogeneous media in an attempt to push back the fundamental limits of optical imaging: multiple scattering and aberrations. In a first part, we combined the tools and the formalism developed initially for acoustic waves with techniques peculiar to the field of optics. Thanks to a system that allows to both control and measure the optical field, we record the output responses of a scattering medium for a given set of input fields. This collection of input-output responses forms a matrix called the reflection matrix. We then exploit the spatial and temporal contents of this matrix to discriminate the ballistic and the multiple scattered light. The first contribution provides an image with a diffraction limited resolution of an object placed behind or embedded in a turbid medium, while the second contribution offers information on the transport of light in the diffusive regime.The second study was dedicated to the measurement of a coherent information from a totally incoherent source. It has been shown in acoustics and seismology that correlations of an In my thesis, we extended this property to optical waves. In particular, we demonstrated the measurement of an impulse response between individual scatterers with a femtosecond resolution using a simple halogen white light source. Following this proof of principle, the characterization of the transport properties of a medium was performed from a collection of impulse responses in the diffusive regime.

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Nous présentons un nouveau type d'imageur plénoptique appelé LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, car le laser sert à la fois de source et de détecteur de photons. De plus, grâce à un effet d'amplification intra-cavité produit par la dynamique du laser, et grâce à un marquage acoustique des photons réinjectés, ce dispositif possède une sensibilité ultime au photon unique. Cette sensibilité est nécessaire si l'on veut réaliser des images à travers des milieux diffusants. L'autre intérêt présenté par le caractère plénoptique de notre imageur, est qu'il permet d'obtenir simultanément une double information: la position et la direction de propagation des rayons lumineux. Cette propriété offre des possibilités inhabituelles, comme celle de conserver la résolution d'un objectif de microscope bien au-delà de sa distance de travail, ou encore de pouvoir corriger par un post-traitement numérique les aberrations causées par la traversée d'un milieu hétérogène. Le dispositif LOFI plénoptique semble donc idéal pour une imagerie en profondeur à travers des milieux complexes, tels que les milieux biologiques. Les performances très intéressantes de cette imageur sont cependant obtenues au prix d'un filtrage spatial très coûteux en photons et au prix d'une acquisition des images réalisées point par point, donc relativement lente.

Nous présentons un nouveau type d'imageur plénoptique appelé LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, car le laser sert à la fois de source et de détecteur de photons. De plus, grâce à un effet d'amplification intra-cavité produit par la dynamique du laser, et grâce à un marquage acoustique des photons réinjectés, ce dispositif possède une sensibilité ultime au photon unique. Cette sensibilité est nécessaire si l'on veut réaliser des images à travers des milieux diffusants. L'autre intérêt présenté par le caractère plénoptique de notre imageur, est qu'il permet d'obtenir simultanément une double information: la position et la direction de propagation des rayons lumineux. Cette propriété offre des possibilités inhabituelles, comme celle de conserver la résolution d'un objectif de microscope bien au-delà de sa distance de travail, ou encore de pouvoir corriger par un post-traitement numérique les aberrations causées par la traversée d'un milieu hétérogène. Le dispositif LOFI plénoptique semble donc idéal pour une imagerie en profondeur à travers des milieux complexes, tels que les milieux biologiques. Les performances très intéressantes de cette imageur sont cependant obtenues au prix d'un filtrage spatial très coûteux en photons et au prix d'une acquisition des images réalisées point par point, donc relativement lente. / We present LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). The main advantage of this technique is that it is auto-aligned, as the laser plays both the role of an emitter and a receiver of photons. Furthermore, thanks to an intra-cavity amplification effect caused by the laser dynamics and an acoustic tagging of re-injected photons, this setup reaches a shot noise sensitivity (single photon sensitive). This sensitivity is necessary if our aim is to make images through scattering media. The other interest, which comes from the plenoptic property of our setup, is that one have access to a complete information about light rays (position and direction of propagation). This property implies unusual possibilities like keeping a constant resolution beyond microscope objectives working distance or being able to numerically compensate, after acquisition, aberrations caused by the propagation through heterogeneous media. Our setup is thus ideal for deep imaging through complex media (turbid and heterogeneous) like biological ones. These interesting properties are achieved at the price of a spatial filtering degrading photon collection efficiency and of a point by point image acquisition which is slow.

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.

Les nuages, le lait, le papier, les tissus biologiques appartiennent tous à une même classe de milieux que l'on nomme diffusants de part leur habilité à transformer une onde incidente collimatée en un faisceau diffus. L'imagerie, ou le transfert d'information à travers ces milieux est a priori plus difficile qu'en milieu homogène, et les méthodes actuelles nécessitent une caméra en transmission du milieu complexe considéré. La présence de cette caméra est souvent considérée comme une faille de ces méthodes car la transmission de ces milieux est souvent hors d'atteinte par l'opérateur. Dans cette thèse nous posons la question du lien qui existe entre la lumière réfléchie et la lumière transmise en milieux fortement diffusant. Nous traitons ce problème de manière statistique et nous intéressons à la dépendance statistique qui existe entre la lumière réfléchie et la lumière transmise. Nous verrons que ce lien statistique persiste même pour des milieux fortement diffusants. Ce lien statistique peut être a la base de nouvelles méthodes de contrôle du front d'onde en milieux diffusant n'utilisant que des informations réfléchies par le milieu, permettant l'imagerie, le dépôt d'énergie ou d'informations à travers des milieux fortement diffusants. / Clouds, milk, paper or biological tissues are called scattering media for light. Indeed when a plane wave encounters one a these media, the light is scattered and looses its preferential direction. Consequently, imaging through these media is more difficult than in homogeneous media. The existing methods rely on a CCD camera measuring the transmitted light. Nonetheless, the transmitted side of the sample is most of the time out of reach of the operator. In this thesis we interest ourselves to the link that exists between the reflected light and the transmitted light for thick scattering media. From a statistical point of view, this link is equivalent to the statistical dependency between the reflected light and the transmitted light. We show that the statistical dependency persists even for very thick media allowing us to propose new imaging modalities based on it. This statistical dependency between the reflected and the transmitted light is a very rich function of the parameters of the system, and may allow us to control the transmitted light using reflected information only.

Le travail présenté dans ce mémoire se place dans le cadre du développement actuel de l'optique laser pour l'établissement de diagnostics médicaux. Dans ce but, l'étude du champ de speckle peut se révéler être une voie pertinente d'analyse. Le speckle, ou granularité lumineuse, formé par des milieux diffusants éclairés par une source de lumière cohérente, peut potentiellement apporter une quantité importante d'informations sur ces milieux. En effet, lorsque aucun système imageant n'est employé, les caractéristiques du speckle comme la taille des grains, le contraste, la polarisation ou encore la dynamique du speckle, sont fonctions des propriétés de diffusion et de la dynamique du milieu. Après une présentation des aspects statistiques associés au speckle et une description des conditions expérimentales employées, nous avons donc étudié l'effet de la diffusion de milieux liquides sur la taille des grains de speckle ainsi que sur le contraste de speckle. En transmission, cette étude nous a permis de caractériser des échantillons selon la dimension des particules diffusantes. Une étude théorique a permis de voir que l'évolution de la taille des grains en fonction de la diffusion et de la dimension des particules du milieu diffusant peut être prévue par la simulation de profils de diffusion par la méthode de Monte Carlo. Actuellement, beaucoup de recherches sont menées pour déterminer des méthodes de mesures non invasive et in vivo de la glycémie pour les diabétiques. Dans ce contexte, nous avons mesuré l'effet de l'addition de glucose dans un milieu diffusant sur la taille des grains de speckle observés dans une configuration de réflexion diffuse. L'analyse de la dynamique des grains de speckle permet d'accéder au contrôle de l'agitation des particules dans le milieu diffusant. Cet aspect a été appliqué, dans le domaine de l'hématologie, au suivi de réactions de coagulation plasmatique. C'est ainsi que plusieurs échantillons de plasma ont pu être caractérisés selon leur temps et dynamiques de coagulations.

L'imagerie optique diffuse de fluorescence est un outil émergent de diagnostic pour la localisation et la quantification de sondes fluorescentes dans les tissus biologiques. Les techniques temporelles sont un mode de réalisation de ce type d'imagerie. Le principe est d'utiliser une impulsion lumineuse, puis de mesurer sa déformation après interaction avec le milieu. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'articule autour de l'étude de modèles de propagation lumineuse dans le cadre de l'approximation de la diffusion. La mise en œuvre d'un banc de mesure des courbes temporelles utilisant une chaîne de comptage de photon unique TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) est présentée. Nous avons proposé des méthodes de caractérisation des propriétés optiques (A. Laidevant et al., Applied Optics, 45(19), 4756-4764, 2006) et de localisation d'une inclusion fluorescente (A. Laidevant et al., Applied Optics, sous presse) dans un milieu diffusant homogène, en tenant compte de sa géométrie.

J'ai soutenu ma thèse en 1991, au sein du groupe d'optique non linéaire de l'Institut d'Optique (groupe dirigé par le professeur Alain Brun). Le sujet était : "Étude et réalisation de lasers solides à modes couplés (YAG dopé néodyme et saphir dopé titane), compression d'impulsions". Au cours de ces travaux, j'ai travaillé sur la conception et le développement de nouvelles sources laser à impulsions très brèves (picosecondes et femtosecondes). En particulier, à cette époque, l'apparition du laser à saphir dopé titane femtoseconde est apparue très novatrice pour tous les laboratoires concernés. Il s'agissait de la première thèse soutenue en France sur ce sujet. <br />En 1991 et 1992, j'ai travaillé (en CDI) à Thales Optronics (Guyancourt), au sein de la direction scientifique. Je me suis intéressé aux développements des radars laser, ainsi qu'aux nouvelles sources " laser " basées sur les effets paramétriques. <br />En octobre 1992, j'ai été recruté comme maître de conférences au sein de l' École Supérieure d'Optique. J'ai tout naturellement poursuivi le développement de nos sources laser et leurs adaptations aux besoins de nos recherches menées dans le cadre de l'étude des propriétés optiques non linéaires de différentes classes de matériaux. Avec l'équipe, nous nous sommes donc attachés à améliorer leurs performances, notamment en leur apportant une plus grande fiabilité pour qu'elles deviennent réellement des outils pour nos expériences. <br />Les nouveaux besoins en longueurs d'onde qui ne pouvaient pas être issues directement d'un laser m'ont conduit à m'intéresser aux effets non linéaires, et plus particulièrement au mélange à trois ondes (amplification et oscillation paramétrique), en régime femtoseconde puis nanoseconde. <br />Ces nouvelles sources ont conduit à des applications originales. En particulier, l'étude de l'amplification paramétrique en régime femtoseconde a débouché sur la possibilité de voir à travers les milieux diffusants. Nous avons aussi utilisé ces sources pour étudier la dynamique femtoseconde de films minces de VO2. <br />En 1999-2000, j'ai eu l'opportunité de rejoindre en tant " qu'opticien expert " un groupe de travail consacré à la mission spatiale Darwin (coronographie interférentielle). Ce groupe ne comprenait pas d'opticien instrumentiste, et les compétences que j'avais acquises à travers mes enseignements se sont révélées de plus en plus utiles. J'ai donc progressivement abandonné ma première activité " lasers, optique non linéaire et applications ", pour m'investir de plus en plus dans l'équipe " exoplanètes " dirigée par Alain Léger, à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS) d'Orsay. <br />En septembre 2003, j'ai quitté Orsay, pour venir travailler à plein temps au sein de la nouvelle antenne de l'Institut d'Optique, à Saint Étienne. J'ai néanmoins poursuivi ma collaboration avec IAS, et commencé mon intégration au sein du laboratoire TSI (Traitement du signal et Instrumentation, UMR 5516). <br />Cette synthèse des travaux auxquels j'ai participé comprend trois parties : une première sur les sources laser et l'optique non linéaire, une deuxième sur les applications des sources développées au laboratoire et enfin la dernière sur l'imagerie haute résolution et haute dynamique.

L’imagerie optique à travers des milieux diffusants, comme des milieux biologiques ou de la peinture blanche, reste un challenge car l’information spatiale portée par la lumière incidente est mélangée par les évènements multiples de diffusion. Toutefois, les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) disposent de millions de degrés de liberté pour contrôler le profil spatial de la lumière en sortie du milieu, en forme de tavelure (speckle), avec des techniques de modulation du front d’onde. Cependant, si le laser génère une impulsion brève, le signal transmis s’allonge temporellement, car le milieu diffusant répond différemment pour les diverses composantes spectrales de l’impulsion. Nous avons développé, au cours de cette thèse, des méthodes de contrôle du profil spatiotemporel d’une impulsion brève transmise à travers un milieu diffusant. En mesurant la Matrice de Transmission Multi-Spectrale ou Résolue-Temporellement, la propagation de l’impulsion peut être totalement décrite dans le domaine spectral ou temporel. Avec des techniques de manipulation du front d’onde, les degrés de libertés spectraux/temporel peuvent être ajustés avec un unique SLM via la diversité spectrale du milieu diffusant. Nous avons démontré, de manière déterministe, la focalisation spatio-temporelle d’une impulsion brève après propagation dans un milieu diffusant, avec une compression temporelle proche de la durée initiale de l’impulsion, à différentes positions de l’espace-temps. Nous avons également démontré un façonnage contrôlé du profil temporel de l’impulsion, notamment avec la génération d’impulsions doubles. Nous exploitons cette focalisation spatio-temporelle pour exciter un processus optique non-linéaire, la fluorescence à deux photons. Cette approche ouvre des perspectives intéressantes pour le contrôle cohérent, l’étude de l’interaction lumière-matière ainsi que l’imagerie multi-photonique. / Optical imaging through highly disordered media such as biological tissue or white paint remains a challenge as spatial information gets mixed because of multiple scattering. Nonetheless, spatial light modulators (SLM) offer millions of degrees of freedom to control the spatial speckle pattern at the output of a disordered medium with wavefront shaping techniques. However, if the laser generates a broadband ultrashort pulse, the transmitted signal becomes temporally broadened as the medium responds disparately for the different spectral components of the pulse. We have developed methods to control the spatio-temporal profile of the pulse at the output of a thick scattering medium. By measuring either the Multispectral or the Time- Resolved Transmission Matrix, we can fully describe the propagation of the broadband pulse either in the spectral or temporal domain. With wavefront shaping techniques, one can control both spatial and spectral/temporal degrees of freedom with a single SLM via the spectral diversity of the scattering medium. We have demonstrated deterministic spatio-temporal focusing of an ultrashort pulse of light after the medium, with a temporal compression almost to its initial time-width in different space-time position, as well as different temporal profile such as double pulses. We exploit this spatio-temporal focusing beam to enhance a non-linear process that is two-photon excitation. It opens interesting perspectives in coherent control, light-matter interactions and multiphotonic imaging.