Parmi les 3000 exoplanètes détectées à ce jour, seule une cinquantaine ont été observées par imagerie dont l’avantage est de donner accès à la lumière des exoplanètes, ce qui ouvre la voie aux études spectrales de leur atmosphère et de leur surface. L’imagerie est aussi la seule méthode permettant d’étudier des exoplanètes situées dans les parties externes des systèmes stellaires ainsi que les disques circumstellaires, ce qui est fondamental pour comprendre les différentes étapes de la formation planétaires. Cependant, ces techniques doivent relever deux défis : la faible séparation angulaire qui existe entre une exoplanète et son étoile, ainsi que le contraste entre ces deux objets qui est de l’ordre de 10-4 dans l'infrarouge proche pour des Jupiter jeunes et de l'ordre de 10-10 dans le visible pour des planètes matures telles la Terre et Jupiter. Les instruments actuels utilisent des coronographes pour filtrer la lumière de l'étoile hôte et observer son voisinage ténu. Ils utilisent également des techniques actives qui compensent les effets des aberrations de surface d’onde pour minimiser le niveau des tavelures dans l'image finale. Couplés à des techniques d'imagerie différentielle, ces instruments ont permis la découverte et l'étude d'exoplanètes jeunes et massives, et de disques circumstellaires. Cependant, pour détecter des exoplanètes moins lumineuses et plus proches de leur étoile, les techniques d’imagerie font aujourd’hui l’objet d'une recherche active en laboratoire. Par exemple, l’Observatoire de Paris a développé le banc très haute dynamique (THD) pour tester et optimiser l’association de plusieurs techniques d’imagerie haute dynamique comme le four quadrants phase masque (FQPM) ou la self-coherent camera (SCC) qui est une technique d’analyse de surface d’onde en plan focal.Au début de ma thèse, mes travaux se sont concentrés sur le développement et l’étude de coronographes et d’analyseurs en plan focal pouvant travailler en larges bandes spectrales (typiquement 12,5 % à 40 %). J’ai testé sur le banc THD deux coronographes, le multi four-quadrant phase-mask (MFQPM) et le dual-zone phase-mask (DZPM). J’ai prouvé que le DZPM peut atteindre des contrastes de l’ordre de 4 10-8 pour des séparations angulaires comprises entre 7 et 16 λ/D et une bande spectrale de 250 nm centrée à 640 nm. J’ai également développé et testé une version de la SCC moins sensible au chromatisme appelée multireference self-coherent camera (MRSCC). En la combinant au DZPM, j’ai réussi à atteindre en boucle fermée des contrastes de l’ordre de 4.5 10-8 entre 5 et 17 λ/D pour une bande spectrale de 80 nm centrée à 640 nm. Ces deux résultats sont importants, car ils montrent qu'il est possible de construire un instrument qui atténue la lumière et contrôle activement les aberrations optiques directement à partir de l'image scientifique en large bande spectrale. À la fin de ma thèse, nous avons mis en place une collaboration visant à tester la SCC sur le télescope Hale du mont Palomar. Lors de deux missions auxquelles j’ai participé, nous avons prouvé que la SCC pouvait être associée avec un coronographe de type vortex ce qui n’avait jamais était fait auparavant. De plus, suite aux résultats obtenus sur source interne, nous prévoyons une démonstration sur ciel à l'automne 2016 / Among the 3000 exoplanets detected at this time, about 50 have been observed by direct imaging. The benefit of direct imaging is to give access to exoplanet light, paving the way for spectroscopic study of their atmospheres and surfaces. Moreover, direct imaging is also the only method that enables the study of exoplanets located in the outer parts of the stellar systems as well as circumstellar disks, which are fundamental to understand the different stages of planetary formation. However, there are two challenges : the small angular separation between an exoplanet and its star (less than a fraction of 1’’), and the contrast between the two objects which is of the order of 10-4 in near infrared for young Jupiter and of the order of 10-10 in visible light for Earth like planets. Existing instruments use coronagraphs to filter light from the host star and observe its tenuous neighborhood. They also use active techniques in order to minimize, in the final image, the brightness of speckles induced by wavefront aberrations. Coupled with differential imaging techniques, these instruments led to the discovery and study of young and massive exoplanets and circumstellar disks. However, to detect fainter exoplanets closer to their star, imaging techniques are now at the heart of an active research. For example, the Paris Observatory developed the banc très haute dynamique (THD bench) aiming at testing several high contrast imaging techniques and their associations as the four quadrants phase masque (FQPM) and the self-coherent camera (SCC) which is a focal plane wavefront sensor.At the beginning of my PHD, I mainly focused my work on the development and the study of coronagraphs and focal plane wavefront sensors able to work in broadband (between 12,5 % and 40 %). I tested on the THD bench two coronagraphs, the multi four-quadrant phase-mask (MFQPM) and the dual-zone phase-mask (DZPM). I proved that the DZPM is able to reach contrasts of 4 10-8 at angular separations ranging from 7 to 16 λ/D using a spectral bandwidth of 250 nm centered on 640 nm (40 %). I also developed and tested a new version of the SCC, less sensitive to chromatism, called the multireference self-coherent camera (MRSCC). By combining both DZPM and MRSCC, I reached in closed loop contrasts of 4.5 10-8 between 5 and 17 λ/D for a spectral bandwidth of 80 nm centered on 640 nm (12,5 %). These two results are important because they show that it is possible to build an instrument able to reduce the stellar light and actively control optical aberrations directly from a scientific image registered in a large spectral bandwidth which is requiered for the next generation of instruments. During my PHD, we also strated a collaboration to install the SCC at the Palomar Observatory. During two missions in which I took part, we proved, for the first time, that the SCC can be associated with a vortex coronagraph. Finally, based on these results, we plan to demonstrate the SCC concept on sky in the fall of this year

Les travaux que nous présentons dans ce mémoire portent sur la conception, le test et la réalisation de capteurs d'images monolithiques CMOS rapides et "intelligents" : le principe, les performances, les limites et les perspectives sont le corps de ce mémoire. L'implémentation matérielle d'un système de vision programmable en est l'articulation centrale. Nous avons mis au point une plate-forme expérimentale pour l'instrumentation et l'évaluation des opérateurs rétiniens. Après un état de l'art sur l'imagerie rapide et sur les capteurs CMOS, la deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l'étude et à la conception du pixel du capteur d'images. Nous avons conçu deux circuits HISIC.I et HISIC.II en technologie standard CMOS 0,35 μm (double-poly, quadruple-metal). Le premier a permis de déterminer un nouveau modèle de photo-détecteur, et le second de réaliser un prototype de caméra embarquée dédiée à l'imagerie rapide et aux traitements d'images linéaire. HISIC intègre des traitements programmables au niveau même du pixel. C'est une machine massivement parallèle de 4096 processeurs analogiques arithmétiques interconnectés selon une grille 64×64 en topologie 4-connexe. Enfin, la dernière partie du mémoire s'articule autour de la validation expérimentale du capteur, tous les résultats et procédures expérimentales y sont regroupés.

Si dans les caméras actuelles, les matrices de photodétection sont planes, dans la nature, aucune surface focale n'est plane : la rétine est soit concave (œil humain), soit convexe (œil d'insecte). Ces architectures offrent deux solutions de miniaturisation et de simplification des systèmes de détection, qui ont fait l'objet des travaux de cette thèse. La courbure concave du détecteur permet de supprimer l'aberration de courbure de champ qui est particulièrement présente dans les instruments grand champ. L'étude théorique de cette solution, étayée par des applications concrètes, a permis de démontrer la simplification des architectures accessibles par cette approche, ainsi que les améliorations en termes de performances optiques. La courbure convexe permet quant à elle de miniaturiser les systèmes grand champ, en s'inspirant de l'œil composé des petits invertébrés. Cette architecture, constituée de groupes de pixels reliés par une métallisation souple, a été réalisée sur une matrice de détecteurs infrarouge en CdHgTe. Les composants obtenus sont fonctionnels et comparables en termes de performances aux valeurs standard. Ils ouvrent à la voie à des architectures grand champ extrêmement compactes. L'originalité du travail a porté sur la mise en forme sphérique de composants monolithiques, dont la couche active n'est pas modifiée, permettant ainsi de produire des systèmes avec un taux de remplissage de 100%. Après une étude de la souplesse d'échantillons de silicium aminci, le procédé de courbure a été transféré sur des composants fonctionnels: circuit de lecture Si-CMOS et matrice de micro-bolomètres infrarouge. La courbure concave des matrices de détection infrarouge de type micro-bolomètres, a mené à la réalisation de deux caméras. La première, constituée de deux lentilles du commerce, a permis de comparer les systèmes composés des détecteurs plan et courbe. Le gain lié à la courbure sphérique de la rétine sur l'uniformité de la réponse impulsionnelle a été prouvé grâce aux mesures de la fonction de transfert de contrastes (FTC). Enfin, à l'image d'un œil humain, un œil infrarouge composé d'une seule lentille et d'une matrice de micro-bolomètres courbée en concave a été réalisée. La qualité des images obtenues, ainsi que la FTC mesurée, ont mis en évidence le potentiel des plans focaux courbés pour des systèmes ultra-compacts, inenvisageables jusqu'à ce jour.

Si dans les caméras actuelles, les matrices de photodétection sont planes, dans la nature, aucune surface focale n'est plane : la rétine est soit concave (œil humain), soit convexe (œil d'insecte). Ces architectures offrent deux solutions de miniaturisation et de simplification des systèmes de détection, qui ont fait l'objet des travaux de cette thèse. La courbure concave du détecteur permet de supprimer l'aberration de courbure de champ qui est particulièrement présente dans les instruments grand champ. L'étude théorique de cette solution, étayée par des applications concrètes, a permis de démontrer la simplification des architectures accessibles par cette approche, ainsi que les améliorations en termes de performances optiques. La courbure convexe permet quant à elle de miniaturiser les systèmes grand champ, en s'inspirant de l'œil composé des petits invertébrés. Cette architecture, constituée de groupes de pixels reliés par une métallisation souple, a été réalisée sur une matrice de détecteurs infrarouge en CdHgTe. Les composants obtenus sont fonctionnels et comparables en termes de performances aux valeurs standard. Ils ouvrent à la voie à des architectures grand champ extrêmement compactes. L'originalité du travail a porté sur la mise en forme sphérique de composants monolithiques, dont la couche active n'est pas modifiée, permettant ainsi de produire des systèmes avec un taux de remplissage de 100%. Après une étude de la souplesse d'échantillons de silicium aminci, le procédé de courbure a été transféré sur des composants fonctionnels: circuit de lecture Si-CMOS et matrice de micro-bolomètres infrarouge. La courbure concave des matrices de détection infrarouge de type micro-bolomètres, a mené à la réalisation de deux caméras. La première, constituée de deux lentilles du commerce, a permis de comparer les systèmes composés des détecteurs plan et courbe. Le gain lié à la courbure sphérique de la rétine sur l'uniformité de la réponse impulsionnelle a été prouvé grâce aux mesures de la fonction de transfert de contrastes (FTC). Enfin, à l'image d'un œil humain, un œil infrarouge composé d'une seule lentille et d'une matrice de micro-bolomètres courbée en concave a été réalisée. La qualité des images obtenues, ainsi que la FTC mesurée, ont mis en évidence le potentiel des plans focaux courbés pour des systèmes ultra-compacts, inenvisageables jusqu'à ce jour. / In natural world, plane retina, on which are based our cameras does not exist. The focal plane is either concave for human beings or convex in insects' eyes. Both curvatures offer novel solution to miniaturize and simplify the optical design, and both of them have been studied in this work.The concave curving of the focal plane suppresses one aberration, the field curvature, on which depends the image quality of large field of view instruments. Advantages in image quality and optical design have been studied by theoretical analysis and by real cases of instruments. The convex curvature results in a miniaturization achieved by reproducing the compound eye of small invertebrates. This design, which is composed of several groups of pixels interconnected by metallic lines, has been realized with cooled infrared detecting device. The performed detectors are still electrically functional with a comparable behaviour than conventional sensors. The originality of this work is the spherical curvature of monocrystalline and monolithic components; the active layer is not modified for this purpose. The process of curvature has been developed on thinned square silicon bare dies and then transferred to thinned functional devices: Si-CMOS and micro-bolometers. The concave curvature of bolometers leads to the realization of two cameras. The first one, composed of two commercial lenses, was dedicated to the comparison between a planar traditional camera and a curved detector system. Optical advantages, and especially the response uniformity, have been proved thanks to measures of the contrast modulation function (CMF). Finally, I have realized an infrared eye composed of a unique lens and a curved concave bolometer. Both the image quality obtained and CMF experiments proved the interest of the curved focal plane in miniaturized optical systems.

L'imagerie laser 3D est une technique performante utilisée notamment pour cartographier l'environnement dans lequel évolue un aéronef, en mesurant la distance le séparant d'un objet, en plus des coordonnées (x,y). Le système est capable d'acquérir des mesures par tout temps (nuit, pluie, brouillard). Une nouvelle génération de capteurs, multi-pixels et ultra-sensibles, permet alors de répondre aux besoins identifiés pour cartographier avec précision une zone de grande superficie : haute résolution spatiale, longue portée avec précision centimétrique et rapidité d'acquisition. Il s'agit des plans focaux 3D Geiger. Avant leur utilisation en aéroporté, il était nécessaire de se familiariser avec leur fonctionnement, basé sur les probabilités de détection. Un simulateur reproduisant l'ensemble de la chaîne d'acquisition à été développé, puis validé sur des cas réels, au sol et en conditions statiques. Il a ensuite permis de démontrer l'intérêt des plans focaux Geiger pour la cartographie aéroportée à longue distance. / 3D laser imaging is a powerful technique used to recognize the environment around an aircraft, by measuring the distance between the system and an objet, in addition to its spatial coordinates. Also, it allows data acquisition under any weather condition (night, rain, fog). A new kind of sensors, multi-pixel arrays with high sensitivity, seems in line with the needs of an accurate 3D mapping of a big area : high spatial resolution, longe range detection with centimeter accuracy and low acquisition time. There are 3D Geiger-mode focal plane arrays. Before an onboard use, it was necessary to analyze the operation of such a sensor, based on probabilities of detection. An end-to-end simulator reproducing the entire acquisition process has been implemented, then experimentally validated on ground and static cases. It finally allowed to demonstrate the potential and contribution of Geiger-mode focal plane arrays for long distance and high spatial resolution airborne 3D mapping.

La spectroscopie infrarouge à matrice à plan focal (PAIRS) est utilisée pour étudier la déformation et la relaxation des polymères à très haute vitesse, soit de 46 cm/s, grâce à sa résolution temporelle de quelques millisecondes. Des mesures complémentaires de spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) ont été réalisées pour suivre des déformations plus lentes de 0,16 à 1,6 cm/s avec une résolution temporelle de quelques centaines de millisecondes. Notre étude a permis d’observer, à haute vitesse de déformation, un nouveau temps de relaxation (τ0) de l’ordre d’une dizaine de millisecondes qui n’est pas prédit dans la littérature. Le but de cette étude est de quantifier ce nouveau temps de relaxation ainsi que de déterminer les effets de la température, de la masse molaire et de la composition du mélange sur ce dernier. Des mesures effectuées sur du polystyrène (PS) de deux masses molaires différentes, soit 210 et 900 kg/mol, à diverses températures ont révélé que ce temps est indépendant de la masse molaire mais qu’il varie avec la température. Des mesures effectuées sur des films composés de PS900 et de PS deutéré de 21 kg/mol, ont révélé que ce temps ne dépend pas de la composition du mélange et que la longueur des chaînes de PS n’a aucun impact sur celui-ci. D’autres mesures effectuées sur des films de PS900 mélangé avec le poly(vinyl méthyl éther) (PVME) ont révélé que ce temps est identique pour le PS900 pur et le PS900 dans le mélange, mais qu’il est plus court pour le PVME, de l’ordre de quelques millisecondes. / Planar array infrared spectroscopy (PAIRS) was used to study the fast deformation and relaxation of polymers at s draw rate of 46 cm/s, giving millisecond time resolution. Complementary measurements by polarization modulation infrared structural absorbance spectroscopy (PM-IRSAS) were conducted to probe slower deformations (0.16 to 1.6 cm/s) with a time resolution of a few hundreds of milliseconds. Our study allowed the observation, after fast deformation, of a new relaxation time (τ0), on the order of tens of milliseconds, which was not predicted in the literature. The aim of this work is to quantify this new relaxation time and to determine how it is affected by molecular weight, temperature, and blending. Measurements performed on polystyrene (PS) with two different molecular weights (210 and 900 kg/mol) at various temperatures revealed that the new relaxation time is independent of the molecular weight, but that it varies with temperature. Measurements performed on film blends of PS900 with deuterated PS of low molecular weight (21 kg/mol) indicated that this time is unaffected by blending and that the PS chain length has no impact on it. Measurements on films of PS blended with poly(vinyl methyl ether) (PVME) revealed that it is identical for pure PS and for PS in the blends, but that it is shorter, on the order of few milliseconds, for PVME.

Cette thèse apporte des solutions théoriques et pratiques à deux problèmes soulevés par la photographie numérique en présence de mouvement, et par la photographie infrarouge. La photographie d'objets en mouvement semblait ne pouvoir se faire qu'avec des temps d'exposition très courts, jusqu'à ce que deux travaux révolutionnaires proposent deux nouveaux types de caméra permettant un temps d'exposition arbitraire. Le flutter shutter de Agrawal et al. crée en effet un flou inversible, grâce à un obturateur aux séquences d'ouverture-fermeture bie{\it n choisies. Le motion invariant photography de Levin et al. obtient ce même effet avec une accélération constante de la caméra. Les deux méthodes suivent ainsi un nouveau paradigme, la computational photography, selon lequel les caméras sont repensées, car elles incluent un traitement numérique sophistiqué. Cette thèse propose une méthode pour évaluer la qualité image des nouvelles caméras. Le fil conducteur de l'analyse est donc l'évaluation du SNR (signal to noise ratio) de l'image obtenue après déconvolution. La théorie fournit des formules explicites pour le SNR, soulève deux paradoxes de ces caméras, et les résout. Elle permet d'obtenir le modèle de mouvement sous-jacent à chaque flutter shutter, notamment tous ceux qui sont brevetés. Une seconde partie plus brève aborde le problème de qualité principal en imagerie vidéo infrarouge, la non-uniformité. Il s'agit d'un bruit évolutif et structuré en colonnes causé par le capteur. La conclusion des travaux est qu'il est non seulement possible mais également efficace et robuste d'effectuer la correction sur une seule image. Cela permet de contourner le problème récurrent des "ghost artifacts"résultant d'une incohérence du traitement par rapport au modèle d'acquisition. / This thesis provides theoretical and practical solutions to two problems raised by digital photography of moving scenes, and infrared photography. Until recently photographing moving objects could only be done using short exposure times. Yet, two recent groundbreaking works have proposed two new designs of camera allowing arbitrary exposure times. The flutter shutter of Agrawal et al. creates an invertible motion blur by using a clever shutter technique to interrupt the photon flux during the exposure time according to a well chosen binary sequence. The motion-invariant photography of Levin et al. gets the same result by accelerating the camera at a constant rate. Both methods follow computational photography as a new paradigm. The conception of cameras is rethought to include sophisticated digital processing. This thesis proposes a method for evaluating the image quality of these new cameras. The leitmotiv of the analysis is the SNR (signal to noise ratio) of the image after deconvolution. It gives the efficiency of these new camera design in terms of image quality. The theory provides explicit formulas for the SNR. It raises two paradoxes of these cameras, and resolves them. It provides the underlying motion model of each flutter shutter, including patented ones. A shorter second part addresses the the main quality problem in infrared video imaging, the non-uniformity. This perturbation is a time-dependent noise caused by the infrared sensor, structured in columns. The conclusion of this work is that it is not only possible but also efficient and robust to perform the correction on a single image. This permits to ensure the absence of ``ghost artifacts'', a classic of the literature on the subject, coming from inadequate processing relative to the acquisition model.