L'imagerie de photoluminescence synchrotron apparaît comme uneméthode particulièrement prometteuse pour l’étude de matériaux hétérogènesmêlant composés minéraux et organiques, comme ceux des sciences des matériaux anciens.Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé le dispositif de microscopie de photoluminescence existant de la ligne DISCO du synchrotron SOLEIL afin d’identifier de nouveaux marqueurs de photoluminescence permettant de caractériser des processus physico-chimiques intervenant pendant la fabrication ou l’altération des matériaux anciens. Ces travaux ont conduit au développement d'un système de microscopie multi-spectrale optimisé. Le développement optique d'une illumination homogène, l’optimisation de la détection et la calibration radiométrique du dispositif ont mené à l’obtention d’images de photoluminescence quantitatives.Ce dispositif a été optimisé pour répondre au mieux à des problématiques archéologiques et patrimoniales avec une analyse topologique, chimique et des structures électronique et cristalline. Ces nouveaux développements ont été testés dans le cadre de systèmes d’étude réels composés de semi-conducteurs à grand gap. En étudiant des pigments d’artiste historiques composés d’oxyde de zinc (ZnO), nous montrons que les propriétés de photoluminescence du ZnO permettent de discriminer des pigments homogènes à macro-échelle, par l’hétérogénéité de photoluminescence à micro-échelle. Deux artefacts archéologiques en alliage de cuivre et un résidu en bronze ont été étudiés. L’étude en particulier du Cu2O en microscopie de photoluminescence multi-spectrale a mis en évidence l’apport de l’analyse par photoluminescence pour reconstruire la chaîne opératoire de métallurgie et apporter de nouvelles informations dans la compréhension des processus d’altération.Ces travaux ont démontré le potentiel de cette nouvelle méthodologie etl’intérêt de développer une telle approche au champ d’application desmatériaux anciens, matériaux présentant une forte hétérogénéité sur plusieurséchelles successives. / Synchrotron photoluminescence imaging has emerged as a promisingmethod to study heterogeneous materials,composed of inorganic and organic compounds as those in ancient materials sciences.During this Ph.D., we have further developed the existing photoluminescencemicroscopy set-up of the DISCO beamline at the SOLEIL synchrotron, to identify new photoluminescence markers that allow characterizing physico-chemical processes taking place during the manufacturing or alteration processes of ancient materials. This work led to the development of an optimized multi-spectral microscopy set-up. The optical development of an homogeneous illumination, the optimisation of detection and the radiometric calibration of the set-up led to quantitative photoluminescence images. This set-up has been optimized to respond at best to archaeological and cultural heritage questions with a topological, chemical, electronic and crystalline analysis. Those new instrumental developments were tested on real systems made of wide-bandgap semiconductors. By studying historical artists' pigments composed of zinc oxide (ZnO), we have shown that the photoluminescence properties allow discriminating homogeneous pigments at macro-scale from the heterogeneity oh the photoluminescence response at the grain scale. Two copperbasedarchaeological artefacts and a bronze slag were studied. Particularly, the study of cuprous oxide (Cu2O) pointed out the considerable interest of multi-spectral photoluminescence analysis to retrieve the operational sequence of metallurgy and to provide new information for a better understanding of alteration processes.This work demonstrated the potential of this new methodology and the interest to develop such a method for ancient materials, that are characterized by a strong heterogeneity at successive scales.