L'Optique Active est une discipline en plein essor qui a obtenu ses lettres de noblesse sur les plus grands télescopes du monde. Les grands projets instrumentaux en cours ou à venir intègrent désormais l'Optique Active à tous les niveaux de leur conception. Les miroirs actifs présentent l'avantage d'une grande qualité de surface combinée à une versatilité et une flexibilité qui en font des pièces indispensables pour réaliser des télescopes et instruments de plus en plus performants an d'atteindre les objectifs scientifiques du futur. Trois techniques d'Optique Active, basées sur le polissage sous contrainte et la déformation in situ, sont au cœur du travail présenté. Ces techniques sont développées dans le cadre de trois projets majeurs de la communauté astronomique : 1) le miroir secondaire déformable du VLT, 2) l'instrument de recherche d'exoplanètes Sphere sur le Vlt et 3) le projet de spectrographe grand champ multi-objet Eagle pour l'European-Elt. A partir de la théorie des plaques minces en flexion, les modèles analytiques permettent de définir les configurations de charges et distributions d'épaisseur des substrats de miroirs à déformer. Les analyses par éléments finis sont un atout majeur pour l'optimisation et la validation des techniques proposées. De nombreuses passerelles sont utilisées ou créées entre élasticité, théorie des aberrations et analyse spectrale an d'évaluer la qualité optique des déformations de surfaces des miroirs. Trois procédés de fabrication sont ainsi développés de bout en bout an de produire une lame mince convexe hyperbolique, des miroirs toriques de grande précision et de miroirs à toricité variable de grande dynamique, le point commun de ces procédés étant l'excellente qualité de surface des miroirs.

Cette thèse a été menée dans le domaine des microsystèmes magnétiques. Des actionneurs magnétiques de type réseaux de bobines planaires de champ sont conçus, simulés et caractérisés. Les microtechnologies utilisées et développées permettent une miniaturisation poussée et une fabrication collective. La fonction de ces bobines est d'exercer les forces locales nécessaires au contrôle de la déformation de membranes magnétiques souples. Des membranes polymères de diamètre 40 mm sont élaborées sur substrat et les composants aimantés sont collés en vis à vis avec les bobines. L'application étudiée est un miroir defotmable utilisé en astronomie pour corriger la planéité du front d'onde de la lumière incidente dans les télescopes spatiaux ou au sol. Ce type de miroir, plus compact que ceux actuellement employés et de résolution potentiellement supérieure, est conçu à l'aide de modélisation magnétique et mécanique, et un prototype est réalisé

La diffraction constitue une limite fondamentale en microscopie, mais souvent cette limite n'est même pas atteinte. Des imperfections dans la formation d'image, appelées aberrations, peuvent être induites par le microscope ou l'échantillon. Un élément actif, dit correcteur, est intégré au chemin optique pour leur compensation. Les paramètres de ce correcteur doivent être déterminés sans dommage excessif pour l'échantillon. Il faut comparer le gain en signal et/ou en résolution avec cet endommagement, surtout pour des échantillons biologiques fragiles. En première partie de cette thèse je présente une modalité particulière de la microscopie par cohérence optique (nommé deep-OCM). Ce développement a permis la mesure exacte et in vivo de l'indice de réfraction moyen du cerveau du rat. Cette valeur implique que la microscopie bi-photonique est limitée par des aberrations optiques à partir d'une profondeur de 200 µm dans ce type d'échantillon. Le deep-OCM est bien adapté à l'imagerie de fibres nerveuses myélinisées. Des fibres individuelles peuvent être visualisées in vivo dans le cerveau à des profondeurs auparavant inaccessibles, supérieures à 300 µm. Dans la deuxième partie de cette thèse je présente le développement d'un autofocus et auto-stigmateur (nommé MAPFoSt) pour le microscope électronique à balayage qui permet d'assurer la qualité maximale des images lors d'un changement d'échantillon ou pendant des séries d'acquisitions de longue durée. MAPFoSt permet de déterminer avec précision les trois paramètres du focus et du stigmatisme en utilisant seulement deux images de test

En propagation endo-atmosphérique et sur des longues distances (supérieure à quelques kilomètres), les effets de la turbulence atmosphérique sont importants pour les liaisons de télécommunication optique en espace libre (LOA). Le champ de l'onde subit des perturbations de phase qui modulent l'intensité reçue par le récepteur, dans des proportions pouvant être rédhibitoires pour la fiabilité de la liaison. La pré-compensation du champ émis à l'aide d'une optique adaptative (OA) a été proposée afin de limiter cet effet et de permettre d'augmenter la distance de propagation ainsi que le débit des LOA. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances et les limites, en termes d'efficacité vis-à-vis des LOA, des différentes méthodes de corrections par OA et d'étudier la possibilité de concepts plus efficaces. Nous avons montré qu'une approche itérative de correction de phase et d'amplitude - qualifiée de correction optimale - permet d'atteindre des performances excellentes, la meilleure parmi les approches proposées jusque-là. L'étude de cette approche théorique, nous a permis de fixer les limites de l'apport d'un système d'OA et de montrer que la correction a encore un intérêt largement au-delà de la limite des faibles perturbations. Dans le régime de fortes turbulences, nous montrons les limites des approches classiques - OA par mesure de front d'onde (ASO), par modulation de phase ou itérative de phase (qualifiée de sous-optimale) - notamment à cause de la scintillation, des enroulements de phase et de la présence de bruit de mesure. Nous avons quantifié la baisse de leurs performances vis-à-vis de la correction optimale et proposé une solution permettant de s'affranchir des effets de la scintillation sur la mesure de front d'onde. Nous avons finalement proposé un dispositif pour la pré-compensation de phase et d'amplitude et plus particulièrement de la mesure et de la commande qui devrait permettre de mettre en œuvre la correction optimale.

Ce projet de recherche conjugue deux aspects complémentaires : le développement d’un montage de microscopie intégrant un système d'Optique Adaptative (OA) et l’étude de masses cancéreuses (Sphéroïdes Multicellulaires) sous pression mécanique.Ces deux axes seront mutuellement bénéfiques puisque l’implémentation de l’OA rendra possible l’imagerie et les mesures physiques au sein des sphéroïdes ; d’un autre côté, l’étude des sphéroïdes permettra de caractériser les aberrations induites par ce type d’échantillons et de mieux comprendre les exigences sur le système d’OA qu’imposent l’observation de ces échantillons ainsi que les limites de la microscopie optique dans les tissus biologiques. / This research project combines two complementary aspects: the development of an assembly incorporating an Adaptive Optics microscope system and the study of cancerous masses (multicellular spheroids) under mechanical pressure.These two axes are mutually beneficial since the implementation of the adaptive optics will enable imaging and physical measurements in spheroids; On the other hand, the study of spheroids will characterize the aberrations induced by this type of samples and understand the requirements of the adaptive optics system imposed by the observation of these samples as well as the limits of optical microscopy in biological tissues.

L’imagerie en profondeur in vivo à deux photons est sévèrement limitée par les aberrations optiques. L'optique adaptative est maintenant une technique largement utilisée pour résoudre ce problème. Elle repose sur une des nombreuses techniques possibles de mesure de front d'onde. L'estimation du front d'onde indirecte ou sensorless présente l'avantage d'être facile à mettre en œuvre sur les systèmes existants.L'approche modale sensorless, développée initialement pour l’imagerie à deux photons par Débarre et al., est devenue une technique standard fondée sur la maximisation d'une métrique de qualité d'image telle que l'intensité moyenne de l'image.Cependant, le front d'onde indirectement inféré est influencé par l'échantillon, qui peut induire un biais fort dans l'estimation. Cet effet est connu sous le nom de dépendance en l'échantillon.Ce travail de doctorat vise à développer une approche modale sensorless améliorée qui n'est pas affectée par la dépendance en l'échantillon. J'ai d'abord étudié l'impact des aberrations et de la structure de l'échantillon sur l'intensité moyenne de l'image.Je donne une nouvelle expression analytique de l'intensité moyenne de l'image est donnée qui rend explicite l'interaction entre la forme de la PSF 3D et la distribution spatiale de l'échantillon. À partir de simulations numériques, je montre que la sensibilité de la métrique aux aberrations est préservée pour des échantillons beaucoup plus grands que la résolution spatiale. Deuxièmement, j'étudie l'approche Standard Modal Sensorless (SMS) pour différents types d'échantillons.Je caractérise le problème de la dépendance en l'échantillon induit par des structures très fluorescentes situées hors de la profondeur de focalisation.Ensuite, je montre que la technique displacement-free n’élimine pas complètement la dépendance en l'échantillon.Cette analyse aboutit au développement de notre approche nommée Axially-Locked Modal Sensorless (ALMS). Cette nouvelle approche résout la dépendance en l'échantillon par un réglage automatique et contrôlé de la profondeur de focalisation afin de verrouiller la focalisation sur des motifs brillants de l'échantillon. En outre, l'approche ALMS se fonde également sur une métrique de qualité d'image spécialement conçue pour ce verrouillage. La performance de cette approche est numériquement comparée aux approches SMS et displacement-free. Enfin, ALMS est validée par des tests expérimentaux ex vivo et in vivo. / Deep in vivo two-photon microscopy is severely limited by optical aberrations. Adaptive optics is now a widely used technique to overcome this issue. It relies on one of several possible wavefront sensing techniques. Indirect or sensorless wavefront estimation has the advantage of being easy-to-implement on existing systems. Modal sensorless approach, initially developed for two photon imaging by Débarre et al., has become a standard technique based on the maximization of an image quality metric such as the mean image intensity.However, the indirectly inferred wavefront is influenced by the sample, which may induce a strong bias in the estimation, the so-called sample dependence. This PhD work aims at developing an improved modal sensorless approach that is not affected by sample dependence.I first study the impact of aberrations and of the sample structure on the mean image intensity.A new analytical expression of the mean image intensity is given and makes explicit the interplay between the shape of the 3D PSF and the sample spatial distribution. Through numerical simulations I show that the metric sensitivity to aberrations is preserved for samples much larger than the spatial resolution.Secondly, I study the Standard Modal Sensorless (SMS) approach for different sample scenarios. I characterize the sample dependence issue induced by strong fluorescent structures located out-of-focus. Then, I show that the displacement-free technique fails at fully removing the sample dependence. This analysis leads to the development of our Axially-Locked Modal Sensorless approach (ALMS). This new approach solves the sample dependence by an automatic and controlled adjustment of the focusing depth so as to lock on bright sample features. Furthermore, the ALMS approach is based on a specifically designed image quality metric.The performance of this approach is numerically compared with the SMS and the displacement-free approaches. Finally, ALMS is demonstrated through ex vivo and in vivo experimental tests.

Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour lestransmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesuresatellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication(liens optiques bi-directionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’ondeoptique peut être profondément affectée par la turbulence atmosphérique. Elle subit desvariations spatiales et temporelles d’amplitude et de phase. Les variations d’amplitudesse traduisent par des variations de la puissance lumineuse collectée (scintillations). Lesperturbations de la phase affectent la distribution spatiale de la puissance au foyer du systèmede détection, qui n’est alors plus limitée par la diffraction. Des pertes peuvent en découler lorsdu couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode.Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par la perte d’informations.Pour s’en abstraire, les études de faisabilité les plus récentes mettent en avant l’utilisation desystèmes d’optique adaptative et de techniques numériques adaptées (codage/entrelacement).Pour limiter la complexité et le coût des systèmes de liens optiques, la définition des techniquesde compensation des atténuations peut être menée conjointement. C’est l’objectif principalde cette thèse. Il s’agit d’investiguer les complémentarités des techniques de compensationphysiques (optique adaptative) et numériques (entrelacement, codes correcteurs) pour disposerdes éléments permettant de définir les systèmes de correction les mieux adaptés. / Optical wavelengths are an alternative to radio-frequency links for future satellite-to-groundtransmissions. They are envisioned in the framework of payload/telemetry data transfer (opticaldownlinks from LEO satellites) or communication (bi-directional optical links with GEOsatellites). However, as it propagates through the atmosphere, the optical wave can be deeplyaffected by atmospheric turbulence which induces randomspatial and temporal variations ofits amplitude and phase. Variations in amplitude translate into fluctuations of the collectedpower (scintillation). The phase distortions affect the spatial distribution of the power at thefocal plane of the telescope causing deleterious losses when the incident flux needs to becoupled to an optoelectronic detector or to a single-mode optical fiber. Such losses result indynamical attenuations of the received signal -called fading- and hence potentially to the lossof information. The most recent feasibility studies highlight the use of two types of fadingmitigation techniques: adaptive optics systems and digital techniques (coding and interleaving).To limit the complexity and cost of such systems, the optimization of these mitigationtechniques should be conducted jointly. The main objective of this thesis is therefore theinvestigation of the complementarity of physical (adaptive optics) and digital data reliabilitymechanisms (interleaving, correcting and erasure codes in a cross-layer approach).

Nous avons cherché à discerner les rôles respectifs de l’âge et de l’hypertension sur l’anatomie et la fonction des grosses et des petites artères en utilisant de nouvelles techniques non invasive. Au niveau macrovasculaire : En utilisant l’IRM aortique nous avons montré le rôle proéminent de l’âge et observé l’influence parallèle et combinée de l’âge et de l’hypertension sur la diminution de la rigidité. En utilisant la tonométrie de l’artère radiale nous avons montré des liens entre anatomie, fonction et athérosclérose dans une large population suggérant de nouvelles hypothèses pour relier fonction artérielle et risque cardiovasculaire Au niveau microvasculaire rétinien: Nous avons validé une nouvelle technologie d’imagerie de haute résolution: l’optique adaptative. Nous avons confirmé dans une large cohorte d’hypertendus la présence d’un remodelage eutrophique. Nous avons observé des variations à court terme de la lumière sans modification de la surface sectionnelle en cas de diminution de pression. Conjugués à la corrélation que nous avons établie entre le remodelage rétinien et les résistances périphériques totales, nos résultats plaident pour une part importante de remodelage fonctionnel. Avec le vieillissement, nous avons décrit un épaississement pariétal avec augmentation de la surface sectionnelle sans modification de la lumière. Nous avons confirmé la présence d’un remodelage hypertrophique chez les patients diabétiques. En conclusion : Nous avons validé et montré l’apport de nouvelles techniques d’imagerie artérielle non invasives sur de larges populations pour étudier le remodelage artériel dû à l’âge et aux facteurs de risque cardiovasculaires. / We’ve tried to decipher the respective roles of age and hypertension on anatomy and function of large and small arteries using new non invasive imaging techniques. Large arteries: Using Aortic MRI, we’ve shown the proeminent role of ageing on arterial stiffening as well as the parallel and combined influence of age and hypertension . Using radial artery tonometry, we’ve shown links between anatomy, function and atherosclerosis in a large population. This generates new hypothesis to link arterial function and cardiovascular risk. Retinal microcirculation: We’ve validated a new high resolution imaging technique : adaptive optics. We’ve confirmed in a large cohort of hypertensives the existence of an inward eutrophic remodeling. We’ve observed Blood pressure drop related short term vasodilatation without changes in wall cross section. Together with the relationship we also established between arteriolar remodeling and total peripheral resistances, our results advocate for an important part of functional remodeling in hypertension. With ageing, we’ve observed a parietal thickening with wall cross section increase without lumen modifications. We’ve also confirmed the presence of an hypertrophic remodeling in diabetic patients. In conclusion: We have validated and confirmed the added value of new arterial non invasive imaging techniques on large populations to study cardiovascular risk factors induced arterial remodeling

L’impact laser obtenu avec les systèmes actuels de photocoagulation laser de la rétine n’est pas maitrisé. L’enjeu est d'obtenir un confinement 3D de l'impact laser, c’est-à-dire de contrôler son positionnement et son extension, pour éviter de porter atteinte aux couches saines de la rétine. Un tel confinement pourrait être réalisé si l’on disposait d’un système laser plus ouvert et d’un dispositif permettant de corriger en temps réel les aberrations de l'œil. L’optique adaptative permet une telle correction ; cette technique est utilisée depuis une vingtaine d’années dans le domaine du diagnostic (imagerie). Cependant, sa mise en œuvre pour des applications thérapeutiques, telles que la photocoagulation laser, nécessite encore d’en améliorer la robustesse : alors qu’en imagerie il suffit de reprendre une image si la précédente est mauvaise, le confinement de l’impact laser doit être assuré en permanence durant toute la procédure chirurgicale. Le but de la thèse est de guider le développement ultérieur d’un système d’optique adaptative médical visant à assister un système de photocoagulation laser de la rétine. Le dimensionnement d’un tel système doit s’appuyer sur une solide connaissance des aberrations oculaires. Ainsi, une étude hautement résolue temporellement et spatialement des aberrations dynamiques de l’œil de grande ampleur a été réalisée et de cette étude, des conclusions sur le dimensionnement d’un système d’optique adaptative pour l’œil ont été tirées. Par ailleurs, un banc de test d’optique adaptative haute cadence a été conçu et intégré pour se confronter aux problèmes pratiques que pose la mise en place d’un système d’optique adaptative pour l’œil. / The laser lesion delivered by current retinal photocoagulation laser systems is not well controlled. The issue is to get a better confinement of the laser lesion that is to control the size of the laser lesion as well as the laser lesion positioning in the retina, in order to prevent any retinal damage. Such a confinement could be reached if the laser system featured a higher numerical aperture and was associated with a real-time correction of the aberrations of the eye. Adaptive optics gives access to such a correction; this technique has been used for the past twenty years for diagnosis (retinal imaging). However, further work is still to be achieved to improve the robustness of current adaptive optics systems before implementing adaptive optics in therapeutic systems, in particular in retinal laser photocoagulation systems. Indeed, unlike imaging where the acquisition can be repeated as many times as necessary, the confinement of the laser lesion must be maintained over time during the whole laser treatment. In this thesis, we provide guidance for the future design of an adaptive optics system for retinal photocoagulation. Such a design has to rely on a thorough knowledge of the ocular aberrations to correct. Thus, a highly temporally as well as spatially resolved aberrometry study on a large population was performed and conclusions on the design of an adaptive optics system for the eye were drawn from this study. Besides, a test bench was designed and set up to face the practical problems coming with the implementation of an adaptive optics system for the eye.

Notre objectif a été d'analyser l'influence de la variabilité spatio-temporelle de la réflectance des cônes sur le comptage des cônes par imagerie à haute résolution par optique adaptative plein champ, et de proposer des méthodes pour pallier ces difficultés. La première partie des travaux porte sur l'étude de la variabilité temporelle des cônes. Nous avons confirmé la présence d'un phénomène de scintillement des cônes à une fréquence au moins égale à celle de notre système d'acquisition. Nous avons proposé une procédure d'analyse d'images incluant restauration par déconvolution myope, recalage rigide, fusion d'images pour la construction de cartographies de cônes. Nous avons montré que dans le cas des sujets sains, la procédure de fusion d'image permet de rapprocher la mesure de la densité des cônes des références histologiques. La directionalité de la réflectance des cônes est appelée effet Stiles-Crawford optique. Nous en avons identifié une nouvelle manifestation clinique, à travers une étude portant sur l'analyse d'images d'optique adaptative en périphérie de la rétine. Nous avons montré, à travers l'alternance des mosaïques positive/négative, que la réflectance des cônes peut devenir inférieure à celle des bâtonnets. La comparaison avec les données de la tomographie de cohérence optique a montré une forte corrélation de cette commutation avec la couche des segments externes des cônes. Nous avons proposé une procédure d'intégration de la variabilité spatiale pour la construction des cartographies. Cette procédure a été évaluée sur des sujets sains et pathologiques et a montré un gain significatif (en termes de dénombrement des cônes) chez les cas pathologiques. / Our objective was to analyze the importance of spatial and temporal variability of the reflectance of cones in counting for adaptive optics high resolution imaging, and propose ways to overcome these difficulties.The first part of the work focuses on the study of the temporal variability of cones. We confirmed the presence of a scintillation phenomenon at a frequency at least equal to that of our acquisition system. We have proposed an image analysis process including restoration by deconvolution, rigid registration, and image fusion for cone mapping. To validate this approach, we conducted a validation test for two deconvolution methods. We have shown that in the case of healthy subjects, the image fusion procedure to bring the measurement of cone density and histological references. The angular variation of cone reflectance is called optical Stiles-Crawford effect. We have identified a new clinical manifestation of this phenomenon, through a study on the analysis of adaptive optics images periphery). We have shown, through the alternation of the positive / negative mosaics, that the reflectance of the cones may become lower than that of rods. Comparison with the data of the optical coherence tomography showed a strong correlation of the switching with the outer segment layer. We then proposed a procedure of integration of spatial variability for cone mapping. This procedure was evaluated in healthy and diseased subjects and showed a significant gain (in terms of cone enumeration) in pathological cases.