Ce manuscrit de thèse traite de l’étude de verres ophtalmiques microstructurés et plus particulièrement pixellisés, ces derniers pouvant présenter un intérêt particulier en optique active pour la correction de la presbytie. Une étude théorique est proposée, permettant d’analyser les performances optiques d’une lentille pixellisée en termes de transport d’image et d’identifier les paramètres qui ont un impact direct sur ces performances. Après validation expérimentale des résultats obtenus, nous constatons puis expliquons l’effet sur l’observation d’une scène de l’excentrement de l’œil par rapport à la fonction de phase du verre. Nous étudions l’effet du repliement de phase inhérent aux limites des technologies de fabrication, qui vient ajouter un chromatisme axial aux défauts visuels engendrés par la pixellisation. Nous nous intéressons ensuite aux applications possibles de la pixellisation en optique passive. Nous prouvons que pour une application visée, des lentilles binaires non pixellisées, dont nous optimisons la qualité optique, conduisent à de meilleurs résultats que les lentilles pixellisées. L’impact sur l’acuité visuelle des phénomènes diffractifs parasites induits par la pixellisation est évalué au moyen d’un banc de mesure utilisant la simulation de certaines images telles qu’elles seraient vues au travers de verres ophtalmiques pixellisés. Enfin, nous menons une étude de l’aspect esthétique d’un verre pixellisé vu par un observateur externe, à partir de modèles de calcul hybrides mêlant optique géométrique et optique de Fourier. / This thesis investigates microstructured and more particularly pixelated ophthalmic glasses, the latter raising some hope for the active correction of presbyopia. A theoretical study is developed for the analysis of the optical performances of a pixelated lens in terms of image transport and leads to the identification of the parameters which have an impact on these performances. After experimental validation of the results obtained, we note and then explain the effect on the observation of a scene of eye displacement with respect to the optical function of the eyeglass. We study the effect of phase wrapping, which is inherent in the limits of the technologies implied in the manufacturing process and adds an axial chromatism effect to the visual defects generated by pixelation. We are also interested in the potential applications of pixelation in the field of passive optics. We prove that for a given application, non pixelated binary lenses, the optical quality of which we optimize, lead to better results than pixelated lenses. The impact on visual acuity of the parasitic diffractive phenomena induced by pixelation is evaluated with an optical bench using the simulation of test images seen through pixelated lenses. Finally, we study the aesthetic aspect of a pixelated component as seen by an external observer, using hybrid calculation models based on both geometrical and Fourier optics.

Cette étude traite principalement de la sensibilité des techniques expérimentales visant à caractériser la susceptibilité optique non linéaire du troisième ordre. Nous combinons différentes techniques bien connues à l'intérieur d'un système 4f d'imagerie. Nous montrons qu'en changeant l'objet à l'entrée et le filtre spatial en sortie de la configuration 4f il est possible d'effectuer différentes méthodes de caractérisations non linéaires, telles que le mélange 4 ondes dégénérés, Z-scan, EZ-scan, I-scan, imagerie non linéaire avec objet de phase. Nous comparons les sensibilités correspondantes aux différentes méthodes. Nous discutons aussi le problème de la photo-sensibilité des couches minces dans le contexte de détermination de n2, l'indice de réfraction non linéaire, et de β, le coefficient d'absorption non linéaire. Par ailleurs, nous montrons que la méthode Z-scan pourrait être employée pour examiner et caractériser les effets photo-induits et permanents dans la réfraction et l'absorption au niveau du point d'impact. Aussi cette méthode a-t-elle été utilisée pour caractériser les paramètres optiques linéaires des couches minces, telles que l'épaisseur et l'indice de réfraction du film. Nous rapportons aussi sur des mesures absolues de n2 dans le disulfure de carbone et la silice fondue. Les valeurs des coefficients non linéaires sont obtenues dans le régime picoseconde et pour trois longueurs d'ondes différentes (355 nm, 532 nm et 1064 nm). Enfin, nous caractérisons et mesurons les coefficients non linéaires de certains verres exotiques : une famille de verres en chalcogénures (GeS2-Sb2S3-CsI) et des verres en oxyde à base de métaux lourds (Pb(PO3)2-WO3).

Le but de ce travail de thèse est de doter la métrologie française d'un instrument de référence dédié à la caractérisation métrologique des propriétés réflectives des objets qui, du point de vue de l'apparence, sont à l'origine des sensations de couleur, de brillant, de texture, de translucidité…etc. Ce mémoire décrit la conception, réalisation et mise au point d'un dispositif de mesure de la fonction de distribution bidirectionnelle du facteur de luminance d'une surface plane (BRDF). La BRDF est la grandeur physique qui caractérise intégralement la réflexion lumineuse à la surface d'un matériau. En cela, sa mesure s'inscrit comme un outil indispensable pour la mesure de l'apparence car elle permet de connaître en détail le signal qui entre dans l'œil.Certaines surfaces présentent une apparence pigmentée, métallisée, nacrée ou encore interférentielle, ces surfaces, dites "goniochromatiques", ont la capacité de changer d'apparence en fonction de l'angle d'observation. Pour les caractériser, il est impératif d'effectuer une mesure de BRDF sous plusieurs conditions d'observation et d'illumination. L'outil de mesure de la BRDF est un gonioréflectomètre, dédié à des mesures dans le domaine UV - Visible (250 nm – 900 nm).Le montage expérimental consiste en deux lignes distinctes. La première, appelée voie spectrale, est dédiée à l'étude de la couleur. Elle est constituée d'une illumination fixe assurée par une lampe à décharge de xénon filtrée par un monochromateur puis focalisée sur la surface étudiée. La détection, mobile, est assurée par un système optique constitué de lentilles et de miroirs qui servent à renvoyer la lumière réfléchie par la surface sur la photodiode.La deuxième ligne, appelée voie spatiale, est la dédiée à l'étude du brillant. Elle requière une résolution angulaire qui égale l'acuité visuelle de l'œil humain (0,03°) c'est cette partie qui introduit l'originalité de notre instrument. Sur cette voie, la détection est fixe et est basée sur la combinaison d'une optique de Fourier et d'une caméra CCD (512x512 pixels). L'illumination est mobile et est assurée par une lampe incandescente à filament de tungstène collimatée sur l'échantillon.Les deux lignes partagent un robot porte-échantillon qui offre six dégrées de liberté qui sert à reproduire toutes les directions d'illumination et d'observation au-dessus de l'échantillon.Mots clés : Couleur, Brillant, BRDF, Goniochromatisme, Pic spéculaire. / The aim of this thesis is to provide the French Metrology with a reference instrument that can be used for measuring the appearance of objects. Several physical properties of object appearance are used not only to identify the object itself but also determine its quality. These include color, gloss, texture and translucency. This work describes the design, characterization and the implementation of an instrument that has been built particularly to measure the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of planar surfaces. BRDF is a physical quantity that enables measuring the surface color and gloss. Accordingly it is important to ensure accurate and traceable measurements of such a quantity in order for a comprehensive understanding of surface properties to be fulfilled.Some surfaces show pigmented, metallic, sparkling or pearlescent appearance. These surfaces, called goniochromatic surfaces, have the ability to change their appearance depending on the viewing angle. To characterize them, it is necessary to deliver surface reflectance measurements at several directions and under different illumination conditions. The instrument that enables these measurements is called gonioreflectometer.The experimental setup we have designed consists of two separate detection lines. The first line, called "color line", is used to study the color. It consists of a stationary illumination source that uses a xenon lamp spectrally resolved by a monochromator. The light coming out from the source is focused on the surface under investigation. The reflected light by the surface is collected by using a lens and directed onto a photodiode by a mirror. This detection system can be moved over a wide angular range so as to measure the BRDF.The second line, called "gloss line", is used to measure the gloss of the surface. In order to be very close to the average human observer, high angular resolution is required. In this line the detection part is stationary. It consists of a Charged Coupled Device (CCD) camera of 512 x 512 pixels. The source used to illuminate the surface is an incandescent tungsten lamp. Angular measurements in this line are provided by the movement of the illumination source itself. Both color and gloss lines share a robot sample-holder that provides six degrees of freedom. This of course facilitates measurements over varies detection and illumination directions of the sample.Key words: Color, Gloss, BRDF, Goniochromatisme, Specular pic.

Ce manuscrit de thèse traite de l'étude de verres ophtalmiques microstructurés et plus particulièrement pixellisés, ces derniers pouvant présenter un intérêt particulier en optique active pour la correction de la presbytie. Une étude théorique est proposée, permettant d'analyser les performances optiques d'une lentille pixellisée en termes de transport d'image et d'identifier les paramètres qui ont un impact direct sur ces performances. Après validation expérimentale des résultats obtenus, nous constatons puis expliquons l'effet sur l'observation d'une scène de l'excentrement de l'œil par rapport à la fonction de phase du verre. Nous étudions l'effet du repliement de phase inhérent aux limites des technologies de fabrication, qui vient ajouter un chromatisme axial aux défauts visuels engendrés par la pixellisation. Nous nous intéressons ensuite aux applications possibles de la pixellisation en optique passive. Nous prouvons que pour une application visée, des lentilles binaires non pixellisées, dont nous optimisons la qualité optique, conduisent à de meilleurs résultats que les lentilles pixellisées. L'impact sur l'acuité visuelle des phénomènes diffractifs parasites induits par la pixellisation est évalué au moyen d'un banc de mesure utilisant la simulation de certaines images telles qu'elles seraient vues au travers de verres ophtalmiques pixellisés. Enfin, nous menons une étude de l'aspect esthétique d'un verre pixellisé vu par un observateur externe, à partir de modèles de calcul hybrides mêlant optique géométrique et optique de Fourier.

L’instrumentation multi-pupille permet de repousser les limitations actuelles des diamètres des télescopes monolithiques. L’alignement des sous-pupilles est donc une problématique incontournable pour les futurs projets de télescopes au sol comme dans l’espace. Un Analyseur de Surface d’Onde (ASO) est alors nécessaire pour mesurer les aberrations spécifiques au cas multi-pupille que sont le piston différentiel (différence de marche entre les sous-pupilles), le tip et le tilt (basculements différentiels entre les sous-pupilles). Nous nous attachons à réaliser des ASOs non supervisés et simples d’implantation, permettant l’alignement total d’un instrument multi-pupille. L’algorithme ELASTIC repose sur l’analyse de la corrélation entre deux images focales prises successivement, différant par une perturbation maîtrisée et appliquée directement sur les sous-pupilles. ELASTIC permet d’une part d’estimer les grandes erreurs de tip/tilt, pour effectuer un alignement géométrique et d’autre part de stabiliser le tip/tilt pendant la minimisation des grandes erreurs de piston, pour l’alignement interférométrique. Enfin, un second algorithme appelé LAPD permet, au moyen de deux images prises simultanément dans un plan focal et dans un plan légèrement défocalisé, d’estimer les petites erreurs de piston/tip/tilt pour le cophasage fin. Ces différents algorithmes sont caractérisés au moyen de simulations numériques, pour différents types de télescopes multi-pupilles. Nous démontrons expérimentalement les briques de la chaîne d’alignement sur un instrument à 6 sous-pupilles. Ces ASOs permettent de simplifier le dimensionnement des futurs télescopes. / The resolution of a telescope is ultimately limited by its aperture diameter, but the size of mirrors is bounded by current technology to about 10m on the ground and to a few meters in space. To overcome this limitation, interferometry consists in making an array of sub-apertures interfere; the resulting instrument is called an interferometer or a multi-aperture telescope. To reach the diffraction limit of such instruments, all sub-apertures must be phased to within a small fraction of wavelength. A critical sub-system of interferometers is the Cophasing Sensor (CS), whose goal is to measure the relative positioning errors between the sub-apertures (differential piston, tip and tilt), which are the specific low-order aberration of an interferometer and the main source of wave-front degradation. We aim to develop unsupervised and easy-to-implement CSs for the global multi-aperture telescope alignment. ELASTIC algorithm provides a solution for large amplitude tip/tilt error measurement from a modified cross-spectrum of two diversity images, allowing the geometrical alignment. ELASTIC also provides tip/tilt stability for the large amplitude piston error minimization, called the interferometric alignment. Finally a second algorithm called LAPD uses focal and slightly defocused images for the small amplitude piston/tip/tilt error measurement, allowing the fine phasing. Numerical simulations of several types of multi-aperture telescopes are performed in order to test our algorithms. We experimentally demonstrate the efficiency of the different algorithms on a 6-sub-aperture instrument. These algorithms should simplify the design of the future telescopes.

Nous avons développé un microscope tomographique diffractif en réflexion, qui permet d’observer la surface d’un échantillon avec une résolution latérale améliorée comparée à un microscope holographique conventionnel. À partir des même données expérimentales (les hologrammes acquis sous différents angles d’illumination), des mesures à haute précision longitudinale peuvent être réalisées sur la surface d’un échantillon purement réfléchissant, par reconstruction du profil de hauteur à partir de la phase. Cette méthode d’imagerie multimodale présente plusieurs avantages comparée aux mesures en holographie interférométrique classique : amélioration de la résolution latérale sur la partie diffractive, déroulement de phase facilité, réduction du bruit cohérent, l’ensemble étant associé à la grande précision longitudinale fournie par les mesures de phase. Nous montrons ces possibilités en imageant divers échantillons minces. / We have developed a tomographic diffractive microscope in reflection, which permits observation of sample surfaces with an improved lateral resolution, compared to a conventional holographic microscope. From the same set of data, high-precision measurements can be performed on the shape of the reflective surface by reconstructing the phase of the diffracted field. doing so allows for several advantages compared to classical holographic interferometric measurements: improvement in lateral resolution, easier phase unwrapping, reduction of the coherent noise, combined with the high-longitudinal precision provided by interferometric phase measurements. We demonstrate these capabilities by imaging various test samples.

Le futur télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope) sera lancé en 2013. Conçu pour observer dans l'infrarouge de 0.6 à 27 µm, ce télescope sera équipé, entre autres instruments, du spectrographe multi-objets NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Dans cette thèse, nous modélisons et analysons les performances optiques de cet instrument développé par EADS/Astrium pour l'Agence Spatiale Européenne (ESA).<br />Notre étude se concentre sur la qualité d'image, la distorsion et l'efficacité totale de NIRSpec.<br />Ces calculs de performances reposent sur un code d'optique de Fourier développé durant cette thèse. Dans ce manuscrit, nous discutons les hypothèses et les limites de notre approche et nous présentons les résultats obtenus par l'étude de la distorsion et des effets de la diffraction. Ces résultats ont été utilisés pour vérifier des points clefs de la conception de NIRSpec. La complexité de NIRSpec nous a également amenés à développer un simulateur complet de l'optique et des détecteurs. Nous décrivons les algorithmes mis au point pour ces simulations ainsi que les éléments importants de leur implémentation (optimisation des temps de calculs). Les poses ainsi crées sont actuellement utilisées pour tester les futurs logiciels de traitement des données NIRSpec.

Les condensats de Bose-Einstein d'atomes en phase gazeuse obtenus dans des pièges magnétiques consistent en une accumulation macroscopique d'atomes dans la même fonction d'onde. Ils représentent donc un analogue pour l'optique atomique à des photons piégés dans une cavité laser en optique photonique. Tout comme en optique, afin d'utiliser ceux-ci comme source cohérente, il convient de les faire sortir de la cavité de façon contrôlée. Nous procédons par application d'un champ radiofréquence de faible amplitude. Les atomes sont alors faiblement couplés vers un état interne non piégé magnétiquement et tombent sous l'effet de la gravité. On obtient ainsi un flux cohérent et continu d'onde de matière jusqu'à épuisement du condensat de Bose-Einstein qui en est la source. Nous étudions les propriétés transverses des faisceaux atomiques ainsi produits ou << lasers à atomes >>. En particulier, nous observons et mesurons la divergence du jet d'atomes pour différents paramètres expérimentaux. Une théorie à base de matrices ABCD analogue à celle de l'optique photonique permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Nous constatons que les effets dominants sont les interactions entre le condensat de Bose-Einstein source et les atomes du laser atomique. Ceci constitue une différence profonde avec le cas des photons. Nous réalisons finalement des figures d'interférences entre différents lasers atomiques issus d'un même condensat de Bose-Einstein. Les interférogrammes obtenus sont qualitativement et quantitativement bien décrit par une théorie adaptée de celle de l'optique de Fourier cohérente.

L'Europe prépare actuellement le plus grand télescope du monde : l'European Extremely Large Telescope (E-ELT). Prévu vers 2026, ce télescope géant permettra de répondre à des questions fondamentales de l'astrophysique contemporaine. L'imagerie d'objets astrophysiques depuis des télescopes au sol est cependant perturbée par l'atmosphère qui réduit la capacité des instruments au sol à distinguer les objets proches. L'Optique Adaptative (OA) permet de restaurer cette résolution angulaire en corrigeant en temps réel (via un miroir déformable) le front d'onde perturbé par l'atmosphère (mesuré par l'Analyseur de Surface d'Onde (ASO)). Jusqu'à récemment, la majorité des systèmes d'OA utilisaient des ASO Shack-Hartmann (SH). Des concepts concurrents basés sur le filtrage optique de Fourier (le senseur Pyramide ou l'analyseur Zernike) viennent cependant d'être mis en fonctionnement et leurs résultats semblent surpasser les performances du SH. En vue de leur potentielle utilisation sur les ELTs, cette thèse vise à consolider leur compréhension théorique ainsi qu'à optimiser ces ASO basés sur le filtrage de Fourier. Cette thèse développe un cadre mathématique qui décrit sous un unique formalisme ces ASO. Il permet de généraliser les designs préexistants -passant ainsi d'ASO uniques à des "classes d'ASO"- en transformant leurs grandeurs caractéristiques à l'origine fixées en degrés de liberté. Les classes Pyramide et Zernike sont donc explorées dans le but d'optimiser ces ASO au regard des attentes expérimentales. Des configurations inédites de la classe Pyramide -ASO que l'on appelle Pyramides aplaties- s'avèrent notamment prometteuses et font l'objet d'une étude plus poussée. / Europe is currently preparing the largest telescope of the world: the European Extremely Large Telescope (E-ELT). Planned by 2026, this huge telescope will allow to answer fundamental questions of contemporary astrophysics. However, images of astrophysical objects done by ground based telescopes suffer from the atmospheric turbulence which reduces the capacity of instruments to distinguish objects too close to each other. The Adaptive Optics (AO) allows to restore this loss of angular resolution by correcting (thanks to a deformable mirror) in real time the perturbed wave front (measured by the WaveFront Sensor (WFS)).Until very recently, the majority of AO systems had used the Shack-Hartmann (SH) WFS. New concepts based on Fourier filtering (the Pyramid or the Zernike WFSs) have however just been put in operation in several professional observatories and their results seem to outperform the SH. Since they would potentially be chosen for the AO systems of the future ELTs, this thesis aims to consolidate their theoretical understanding and to optimize these Fourier based WFSs.We firstly develop a mathematical framework which describes all these WFSs under an unique formalism. It allows to generalize the pre-existent designs -a WFS thus becomes a "WFS class"- by considering their optical parameters as flexible quantities. We then explored the two Pyramid and Zernike classes to identify the influence of class' parameters on performance criteria in order to optimize optical designs with regard to the instrumental requirements. New configurations of the Pyramid class -that we called Flattened pyramids- show promising behaviors and are studied in details.

Il existe au niveau d'interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d'ondes de surface. C'est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L'objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d'obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d'onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l'opportunité d'utiliser l'une ou l'autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d'une optique de Fourier et d'une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d'Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu'une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s'applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s'appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu'en présence de pertes, il est possible d'obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d'impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d'une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d'Einstein associés aux ondes de surface permettant d'étudier la dynamique de l'inversion de population d'un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l'interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).