<p>This dissertation describes three computational sensors. The first sensor is a scanning multi-spectral aperture-coded microscope containing a coded aperture spectrometer that is vertically scanned through a microscope intermediate image plane. The spectrometer aperture-code spatially encodes the object spectral data and nonnegative</p> <p>least squares inversion combined with a series of reconfigured two-dimensional (2D spatial-spectral) scanned measurements enables three-dimensional (3D) (x, y, &#955) object estimation. The second sensor is a coded aperture snapshot spectral imager that employs a compressive optical architecture to record a spectrally filtered projection</p> <p>of a 3D object data cube onto a 2D detector array. Two nonlinear and adapted TV-minimization schemes are presented for 3D (x,y,&#955) object estimation from a 2D compressed snapshot. Both sensors are interfaced to laboratory-grade microscopes and</p> <p>applied to fluorescence microscopy. The third sensor is a millimeter-wave holographic imaging system that is used to study the impact of 2D compressive measurement on 3D (x,y,z) data estimation. Holography is a natural compressive encoder since a 3D</p> <p>parabolic slice of the object band volume is recorded onto a 2D planar surface. An adapted nonlinear TV-minimization algorithm is used for 3D tomographic estimation from a 2D and a sparse 2D hologram composite. This strategy aims to reduce scan time costs associated with millimeter-wave image acquisition using a single pixel receiver.</p> / Dissertation

<p>Optical interrogation techniques are particularly well-suited for imaging tissue morphology, biological dynamics, and disease pathogenesis by providing noninvasive access to subcellular-resolution diagnostic information. State-of-the-art spectral domain optical coherence tomography (SDOCT) systems provide real-time optical biopsies of in vivo tissue, and have demonstrated clinical potential, particularly for applications in ophthalmology. </p><p>Recent advances in microscopy and endoscopy have led to improved resolution and compact optical designs, beyond those of conventional imaging systems. Application of encoded and multiplexed illumination and detection schemes may allow for the development of optical tools that surpass classical imaging limitations. Furthermore, complementary technologies can be combined to create multimodal optical imaging tools with advantages over current-generation systems. </p><p>In this dissertation, the development of coherence-gated and resolution-multiplexed technologies, aimed towards applications in human vitreoretinal imaging is described. Technology development in coherence-gated systems included increasing the imaging range of SDOCT by removing the complex conjugate artifact, improving acquisition speed using a scanning spectrometer design and a two-dimensional detector array, and hardware and algorithmic implementations that facilitated imaging of Doppler flow. </p><p>Structured illumination microscopy techniques were applied for resolution enhancement, and a spectrally encoded ophthalmic imaging system was developed for en face confocal fundus imaging through a single-mode fiber. These devices were resolution-multiplexed extensions of existing ophthalmic imaging devices, such as scanning laser ophthalmoscopes (SLO), which demonstrated improved resolution and more compact optical designs as compared to their conventional counterparts.</p><p>Finally, several multimodal ophthalmic diagnostic tools were developed that combined the advantages of OCT with existing imaging devices. These included a combined SLO-OCT system and a vitreoretinal surgical microscope combined with OCT. These devices allowed for concurrent ophthalmic imaging using complementary modalities for improved visualization and clinical utility.</p> / Dissertation

Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons "marqués" décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l'holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l'holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d'un système multimodal d'imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l'imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

Cette thèse présente de nouvelles méthodes d'extraction de " pistes" dans des images gisement- temps présentées aux opérateurs d'un système sonar passif. Les pistes gisement-temps extraites sont nécessaires à la fonction trajectographie qui se trouve en aval dans la chaîne de traitement de l'information d'un tel système. Les méthodes que nous proposons se fondent sur l'analyse statistique de ce type d'image issue du traitement d'antenne. Cette analyse est l'objet du second chapitre. Puis dans une première approche, on ne considère que le cas (irréaliste) où une seule piste au plus, est présente dans l'image. Les deux extracteurs que nous construisons à partir de l'arsenal des techniques associées aux chaînes de Markov cachées (HMM), tiennent compte de l'intermittence de cette piste. Une fois la piste extraite par l'une ou l'autre méthode, on lui associe un module de trajectographie qui permet d'évaluer les performances des extracteurs et montre que leurs sorties sont exploitables. La seconde partie de la thèse se focalise sur le cas réel c'est-à-dire la présence de plusieurs pistes intermittentes et pouvant se croiser dans l'image gisement-temps. Deux extracteurs sont présentés et étudiés: l'un effectuant une extraction séquentielle c'est-à-dire extrayant piste après piste, un autre appelé extracteur parallèle, effectuant une extraction de l'ensemble des pistes simultanément. Les deux extracteurs proposés gérant de façon très insatisfaisante le croisement de pistes, on leur associe un module de trajectographie qui permet d'améliorer sensiblement celui-ci. Un bilan global du couple (extraction, trajectographie) est présenté dans la dernière partie de cette thèse.

Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent. Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum. La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum.

Nous avons étudié le comportement de capteurs répartis par rétrodiffusion Brillouin dans des fibres optiques soumises à des environnements radiatifs pour la mesure de contraintes thermomécaniques. Le premier chapitre présente le besoin de mesure répartie par fibre optique pour le stockage sur site géologique des déchets radioactifs de moyennes et hautes activités vie longue (MA-VL et HA-VL) envisagé par l'Andra. Le second chapitre précise la méthodologie utilisée durant la thèse. Le choix de fibres optiques utilisées ainsi que les moyens de caractérisation exploités pour étudier l'évolution de la réponse des fibres optiques y sont présentés. Dans la troisième partie, nous montrerons l'influence de l'exposition aux rayonnements UV sur le spectre Brillouin de certaines fibres optiques. La réponse de la fibre optique fortement dopées au Germanium montre une grande sensibilité de l'atténuation et des changements sur la fréquence Brillouin induits par des rayonnements UV. Dans la quatrième partie, nous montrerons les résultats de la méthodologie appliquée pour la caractérisation de la réponse capteurs répartis par rétrodiffusion Brillouin dans diverses fibres optiques au cours des irradiations gamma. Ces études ont permis de converger vers la conception d'une fibre optique spéciale dopée au Fluor qui est adaptée l'application de surveillance d'alvéole de stockage de déchets radioactifs de type HA-VL et MA-VL pendant une échelle séculaire

Les techniques de microscopie non linéaire connaissent un essor considérable ensciences du vivant, du fait de leur capacité à imager les tissus biologiques en profondeur et àexploiter différents contrastes dont les plus connus sont la fluorescence excitée à deux photons(2PEF) et la génération de second harmonique (SHG).Ce travail de thèse 'articule autour de la métrologie de milieux diffusants et d'applicationsbiomédicales de la microscopie non linéaire. Après une présentation générale de la technique, nousdécrivons une méthode originale de mesure du coefficient de diffusion μs et du facteur d'anisotropieg de milieux turbides épais basée sur la comparaison des intensités de fluorescence épi-collectéesselon trois modalités de notre microscope non-linéaire. Notre méthode est alors appliquée à lacaractérisation de gels biomimétiques et d'échantillons d'intérêt biologique. Le manuscrit abordeensuite le problème de l'imagerie en profondeur d'explants de peau humaine ré-innervée par desneurones sensoriels de rats nouveau-nés. Le choix du marqueur neuronal fluorescent fait l'objetd'une mesure in situ de la section efficace d'absorption à deux photons de différents fluorophores.La faisabilité d'une imagerie bimodale exploitant la fluorescence de ce marqueur et la réponse SHGdu collagène fibrillaire du derme est démontrée. Le manuscrit s'achève par une étude faisant suiteà des travaux de thèse antérieurs relatifs à la quantification de la fibrose hépatique par microscopieSHG/2PEF couplée. Nous appliquons la méthode de scoring SHG développée précédemment àune cohorte de patients infectés par le virus de l'hépatite C et comparons nos résultats aux testsMETAVIR et Ishak.

L'utilisation de bio-puces est basée sur la détection d'interactions biologiques ayant lieu entre des espèces immobilisées à la surface d'une puce ( sondes), et des espèces à détecter (cibles). Ces dispositifs ouvrent de nombreuses applications biologiques. On développe ici une méthode optique sans marquage, avec imagerie bidimensionnelle, basée de façon originale sur l'absorption dans l'ultraviolet des molécules biologiques (à 260 nm pour l'ADN et 280 nm pour les protéines). Dans ce cadre, les nouveaux composants à base d'AlGaN sont particulièrement adaptés car ils permettent de sélectionner précisément la bande spectrale d'intérêt. La sensibilité des méthodes de détection est un critère déterminant. Pour l'améliorer, on étudie ici des configurations qui amplifient l'interaction lumière-élément biologique. Les premières structures multicouches permettent de placer un ventre du champ électrique au niveau de l'élément biologique. Ensuite, on s'attache à utiliser des propriétés des "réseaux résonants", qui concentrent bien davantage le champ électrique au niveau des éléments biologiques. La protéine modèle utilisée est la méthionyl-ARNt synthétase. Elle est représentative et garantit l'applicabilité à n'importe quelle autre molécule biologique. Les étapes de définition des structures, fabrication, caractérisation, dépôt biologique et enfin l'étape finale d'imagerie des biopuces sont décrites. L'imagerie de biopuces optiquement résonantes sur réseau est peu développée, mais on vérifie qu'elle atteint cependant de bonnes sensibilités. Afin d'augmenter le rapport signal sur bruit, il est suggéré d'intégrer le signal sur toute la résonance en pré-dispersant l'éclairage.

Mon projet de thèse est étroitement lié au projet ANR NOUGAT, " Nouvel OUtil pour la chirurgie du Glaucome Assistée par laser femtoseconde et Tomographie par cohérence optique " (ANR-08-TECS-012), coordonné par le groupe " Optique, Photonique, Santé " (OPS) du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), et dont les partenaires sont : l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, le laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique Graduate School, la société Amplitude Systèmes. Le glaucome est une maladie oculaire associée à une pression intraoculaire élevée. Les traitements chirurgicaux classiques visent à créer des canaux filtrants dans la sclère pour baisser la pression, mais les bénéfices ne sont souvent que temporaires. La greffe de cornée est indiquée lors d'opacités du tissu ou pathologies affectant la transparence cornéenne. Elle est largement pratiquée mais certaines limites existent, notamment lorsque la découpe doit se faire en profondeur d'un tissu pathologique. Mes travaux ont d'abord consisté à caractériser les trois principaux éléments constitutifs du segment antérieur de l'oeil : la cornée, la sclère et le cristallin. Suite aux recherches précédentes menées par notre équipe, la diffusion de la cornée est maintenant un phénomène compris et quantifiable. L'étude du tissu scléral a permis de mettre en évidence une fenêtre de relative transparence optique centrée à la longueur d'onde de 1650 nm ; des expériences préliminaires ont été menées sur le cristallin. Grâce à l'optimisation de sources laser existantes au sein de l'équipe, en particulier du générateur paramétrique optique, de nouvelles séries d'incisions ont ensuite été réalisées dans des cornées humaines (obtenues auprès de la Banque Française des Yeux), avec des longueurs d'onde situées entre 1500 et 1800 nm. Les analyses histologiques et par microscopie électronique en transmission et à balayage de ces découpes confirment que l'utilisation d'une longueur d'onde entre 1600 et 1700 nm réduit le phénomène de diffusion dans le tissu par rapport à la longueur d'onde appliquée dans les systèmes commerciaux (1000 nm). Par ailleurs, un dispositif d'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) a été développé en étroite collaboration avec l'Institut d'Optique Graduate School. Utilisant une longueur d'onde de 1315 nm, ce dispositif a une résolution de l'ordre de 5 μm, ce qui est compatible avec notre application ; cependant, il présente encore une rapidité d'acquisition moyenne. Les structures cornéennes ont été imagées avec trois dispositifs OCT disponibles, ce qui a permis de comparer leurs avantages et leurs inconvénients en vue de la combinaison de ce système d'imagerie à la source laser et d'une éventuelle application clinique. Mes travaux de recherche ont finalement permis d'optimiser le développement de systèmes chirurgicaux pour les tissus du segment antérieur de l'oeil et d'approfondir nos connaissances sur l'optique de ces tissus, ce qui vient compléter les études antérieures réalisées au sein de mon équipe de travail et ouvre la voie à des applications futures.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser de forte luminance pour le pompage des amplificateurs, à fibre dopée erbium (EDFA), en particulier dans le domaine des télécommunications. Actuellement, les EDFA sont pompés par des diodes laser monomodes spatiales émettant à 980 nm une puissance maximale continue d'environ 300 mW sur une surface émettrice de 1 mM par 3 mM. Les diodes laser de plus forte puissance ont une surface émettrice plus large, typiquement 1 mM sur 100 à 200 mM. Il en résulte une dégradation de la qualité spatiale du faisceau dans le plan parallèle à la fonction de la diode. Dans cette direction, le faisceau est 10 à 20 fois limité par la diffraction, ce qui est un problème pour les applications qui nécessitent une forte densité de puissance sur une petite surface (comme par exemple le pompage des EDFA ou le pompage longitudinal des lasers solides). L'enjeu est de disposer d'une source laser monomode spatiale délivrant une puissance continue de l'ordre du watt à 980 nm. Lors de cette thèse, nous avons étudié deux voies. La première solution consiste à améliorer la qualité spatiale d'un faisceau de diode laser en effectuant un filtrage angulaire du faisceau. La technique utilisée est la mise en cavité externe d'une diode laser de puissance. Le filtrage angulaire est réalisé par un réseau de Bragg que nous avons conçu. La seconde solution pour obtenir une émission vers 980 nm dans un faisceau monomode spatial est d'utiliser le faisceau fortement multimode d'une diode laser de puissance pour pomper un cristal massif. Les cristaux dopés avec des ions ytterbium sont intéressants car ils peuvent présenter une raie d'émission vers 980 nm. Le problème est qu'il s'agit alors d'une vraie transition laser à 3 niveaux. Nous avons montré que par un bon choix de la matrice d'accueil et des conditions de pompage, il est possible de réaliser un laser efficace émettant vers 980 nm en pompage continu.