No description available.

No description available.

L'imagerie polarimétrique consiste à acquérir des images contenant des informations relatives à la polarisation de la lumière diffusée par une scène. L'objectif de cette thèse est d'utiliser les propriétés de ce type d'imagerie afin de d'améliorer le contraste entre plusieurs objets d'intérêt.Dans le cadre de l'optimisation du contraste entre deux objets d'intérêt, nous démontrons que, si l'on travaille à temps d'acquisition fixe, c'est l'acquisition d'une unique image avec des états d'illumination et d'analyse optimisés qui permet d'atteindre les meilleures performances. C'est pourquoi nous avons développé un imageur pouvant générer et analyser n'importe quel état de polarisation sur la sphère de Poincaré, en utilisant des cellules à cristaux liquides. Ces états peuvent être contrôlés afin de faire varier le contraste dans les images et nous montrons que les ``états optimaux" permettant de maximiser le contraste dépendent des conditions de mesure. En particulier, la valeur des états de polarisation maximisant le contraste entre deux objets d'intérêt dépend des bruits de mesure (bruit de détecteur, bruit de Poisson, Speckle) ainsi que des fluctuations spatiales des propriétés polarimétriques dans la scène. Une mauvaise estimation de la source de bruit peut donc amener à une perte significative de contraste.Nous nous intéressons ensuite à un scénario d'imagerie plus complexe où la scène peut être illuminée de manière non-uniforme. Nous proposons une méthode d'acquisition utilisant l'ensemble des degrés de liberté fournis par notre imageur et montrons que cette méthode permet d'augmenter significativement le contraste par rapport aux résultats obtenus avec d'autres types d'imagerie comme l'imagerie OSC (Orthogonal State Contrast).Nous étendons ensuite nos études à un cas ``multicibles" où plus de deux objets doivent être distingués. Nous montrons notamment que l'accroissement du nombre d'images peut dégrader le contraste et qu'il existe un nombre optimal d'images à acquérir si l'on travaille à temps d'acquisition fixe.Enfin, nous proposons une méthode visant à automatiser notre imageur pour l'optimisation du contraste en combinant de manière itérative l'acquisition d'images polarimétriques optimisées et un algorithme de segmentation par contours actifs statistiques. Des premiers résultats expérimentaux mettent en évidence l'avantage de cette intégration d'algorithmes de traitement numérique au c\oe ur du processus d'acquisition de l'image. / The polarimetric imaging consists in acquiring images containing information relating to the polarization of the scattered light from a scene. The objective of this thesis is to use the properties of this type of imaging to enhance the contrast between several objects of interest.Considering the optimization of the contrast between two objects of interest, we demonstrate that, if the time for the measurement is fixed, it is the acquisition of a single image with optimized states in illumination and analysis that achieves the best performance. That is why we have developed an imager that can generate and analyze any polarization state on the Poincaré sphere, using liquid crystal cells. These states can be controlled to modify the contrast in the images and we show that the ``optimal states" maximizing the contrast depend on the measurement conditions. Specifically, the value of the polarization states maximizing the contrast between two objects interest depends on the measurement noise (noise detector, Poisson noise, Speckle) and also of spatial fluctuations of polarimetric properties in the scene. Improper estimate of the noise source may therefore lead to a significant loss of contrast.We then consider a more complex imaging scenario where the scene can be illuminated non-uniformly. We propose a method of acquisition using all the degrees of freedom provided by our imaging and show that this method can significantly increase the contrast compared to results obtained with other types of polarimetric imaging such as OSC imaging (Orthogonal State Contrast).We then extend our studies to a ``multi-target case" where more than two objects must be distinguished. In particular, we show that increasing the number of images can degrade the contrast and that there is an optimum number of images to be acquired if one works with a fixed acquisition time.Finally, we propose a method to automate our imaging to optimize contrast by combining iteratively the acquisition of polarimetric images and optimized segmentation algorithm using statistical active contours. The first experimental results demonstrate the advantage of this integration of digital processing algorithms in the core of the image acquisition process.

L'imagerie à travers les milieux turbides comme le brouillard, les tissus, les colloïdes, etc. répond à plusieurs besoins de la vie courante. L'imagerie à travers de tels milieux diffusants est un défi auquel peuvent répondre les nouveaux systèmes d'imagerie, la théorie de l'information et l'étude des lois de transport de la lumière dans les milieux aléatoires. La thèse est divisée en deux parties adressant deux modalités d'imagerie différentes, à savoir : l'imagerie de contraste polarimétrique et l'imagerie modulée en intensité. Dans les deux cas, des systèmes d'imagerie en temps réel sont proposés et mis au point. Leurs performances sont évaluées à la fois théoriquement et expérimentalement. Dans la première partie de la thèse, une caméra polarimétrique à deux canaux instantanés conçue autour d'un prisme de Wollaston est utilisée pour imager de manière optimale une source de lumière polarisée noyée dans un brouillard. Une expérience en situation réelle a été mise en place à proximité du campus de Beaulieu à Rennes. La source est placée sur une tour de télécommunication située à plus d'un kilomètre du système imageant. Les données acquises dans diverses conditions météorologiques montrent que l'efficacité de cette caméra polarimétrique dépend de la corrélation du bruit de fond dans les deux images initiales. Ceci a été confirmé grâce à une analyse fondée sur la théorie de l'information qui montre que le contraste polarimétriques maximal est obtenu par une combinaison linéaire des deux canaux polarimétriques dont la pondération dépendant de la corrélation du bruit de fond dans les deux canaux. Un système de détection, intégrant cette représentation polarimétrique optimale, a été développé pour explorer de bout en bout les capacités offertes par l'imagerie polarimétrique à deux canaux à travers le brouillard. Ces études trouvent des applications directes dans le transport par temps dégradé, y compris pour l'aide à l'atterrissage d'aéronefs. Dans la même logique, la deuxième partie de la thèse porte sur l'apport de la modulation d'intensité plein champ pour imager les photons balistiques dans les milieux diffusants. En utilisant de concert la théorie de la diffusion et la théorie de l'information, nous avons pu montrer que, pour un budget de photons donné, il existait une fréquence de modulation minimale pour laquelle le filtrage de photons balistique devient efficace. Cette fréquence dépend des propriétés de diffusion du milieu intermédiaire et se trouve être dans la gamme du MHz en situation réelle. L'imagerie en temps réel à de telles fréquences étant un vrai défi, nous avons proposé un système de démodulation plein champ inédit basé sur l'utilisation d'un cristal électro-optique. Ce système d'imagerie, dont nous avons breveté le principe, est en mesure de démoduler avec une caméra standard une scène en temps réel et en plein champ à des fréquences de plusieurs MHz (voire GHz) sans synchronisation de phase. Un prototype de ce système a été développé permettant de confirmer qu'il était robuste, portable et rentable. Le travail présenté dans cette thèse ouvre la voie à la mise en œuvre de systèmes d'imagerie de pointe fonctionnant dans des situations réelles, allant de l'imagerie biomédicale, à la sécurité. / Imaging through turbid media like fog, tissues, colloids etc. has various applications in real-life situations. The problem of imaging through such scattering media presents a challenge that can be addressed by using novel imaging schemes, information theory and laws of light transport through random scattering media. The thesis is divided into two parts corresponding to two different imaging modalities, namely, polarimetric contrast imaging and intensity modulated light imaging. In both the cases, advanced imaging systems, capable of imaging in real-time are used and their performances are evaluated both theoretically and experimentally. In the first part of the thesis, a two-channel, snapshot polarimetric camera, based on a Wollaston prism is used to attain optimal imaging of polarized light source through fog. An original outdoor experiment is setup in the vicinity of the campus Beaulieu in Rennes, France, where a source is placed on a telecommunication tower more than a kilometer away from the imaging system. Data acquired in various weather conditions show that the efficiency of the two-channel polarimetric camera depends on the background noise correlation in the two images. Further, this was confirmed using an information theoretical analysis, which showed that a polarimetric contrast maximizing image representation is a linear combination of the two polarimetric images whose weights depend on the background noise correlation. Based on the derived optimal polarimetric representation, a detection scheme was presented, leading to an end-to-end study of two-channel polarimetric imaging through fog that may be useful in transport applications like aircraft landing/taxiing in degraded weather. The second part of the thesis deals with intensity modulated light and its potential for ballistic photon imaging through scattering media. First, using the diffusion theory of photon transport and information theory, it was shown that for a given photon budget, ballistic imaging can be achieved for a minimum modulation frequency that depends on the scattering properties of the intervening medium. In real-life situation, the minimum frequency can be in the range of MHz. Real-time imaging at these frequencies is a challenge. Hence, a novel demodulation camera system based on electro-optics was proposed and patented. The imaging system is capable of real-time, full-field demodulation at frequencies of several MHz (potentially, in GHz as well), without requiring a phase synchronized source. A prototype of the imaging system was developed and shown that a demodulation camera based on the proposed design is robust, portable and cost-effective. Finally, the work presented in this thesis pave way for implementation of advanced imaging systems in real-life situations, varying from biomedical imaging to transport safety.

La polarisation de la lumière est très souvent utilisée en imagerie pour caractériser certaines propriétés de la matière, ou pour mettre en évidence des zones qui ne seraient peu ou pas contrastées avec des caméras d'intensité classiques. Nous explorons le potentiel d'une nouvelle technique de polarimétrie, dite de « brisure d'orthogonalité », pour réaliser des acquisitions de manière simple, directe et à haute cadence. Cette technique d'imagerie par balayage laser repose sur l'emploi d'une source de lumière bi-fréquence bi-polarisation pour sonder les caractéristiques polarimétriques (notamment le dichroïsme ou anisotropie d'absorption) des échantillons imagés.Nous explorons la possibilité du déport de la mesure de « brisure d'orthogonalité » par fibre optique faiblement multimode pour le développement d'endoscopes polarimétriques. Un tel dispositif vise à fournir une méthode de diagnostic rapide pour analyser des tissus biologiques profonds tout en évitant le recours aux biopsies. Nous démontrons, théoriquement et expérimentalement, la compatibilité de cette approche avec un dispositif d'endoscopie commercial (fibre ou bundle multicœurs, légèrement multimodes) pourvu que le nombre de modes guidés soit inférieur à une dizaine. D'autre part, nous présentons la conception, la réalisation, la validation et l'exploitation d'un démonstrateur d'imagerie active par brisure d'orthogonalité dans le proche infrarouge. Ce dernier vise des applications défense de détection et/ou décamouflage de cibles. Après caractérisation des bruits dominants les signaux acquis, nous illustrons l'apport du démonstrateur pour la mise en évidence d'éléments dichroïques. Enfin, nous démontrons que la technique de brisure d'orthogonalité peut être avantageusement, et très simplement, adaptée pour mesurer sélectivement le dichroïsme, la biréfringence, et la dépolarisation, paramètres essentiels à la détection d'objets manufacturés (cibles). Ces trois modalités, lorsqu'elles sont conjuguées, offrent au démonstrateur des capacités d'identification. / Polarimetric imaging is a useful tool to characterize some matter properties, or to highlight regions slightly or not contrasted with intensity cameras. We investigate the capability of a novel polarimetric technique, namely the “orthogonality breaking technique”, to perform direct and straightforward measurements at high speed. Relying on the use of a dual-frequency dual-polarization light source, this imaging modality probes polarimetric features (dichroism, or absorption anisotropy) in imaged samples.We explore the potential to perform orthogonality breaking measurements through few mode optical fibers towards polarimetric endoscopy. Such an imaging device would greatly improve the diagnosis efficiency to analyze in-depth biologic tissues without biopsy surgery. We show, theoretically and experimentally, the compatibility of our approach with a commercial flexible endoscope (slightly multimode multicore fibers or bundle) provided that the number of guided modes remains inferior to a dozen.On the other hand, we describe the design, the development, the validation and the exploitation of an active near infrared imaging demonstrator based on the orthogonality breaking technique for defense target detection applications. After characterization of the acquired signals noise, we illustrate the imager capability to reveal dichroic elements. Finally, we demonstrate that the orthogonality breaking technique can be advantageously and straightforwardly tailored to address selectively the dichroism, the birefringence and the depolarization, which are core parameters for the detection of manufactured objects (targets). The combination of these three modalities grants an identification capability to the demonstrator.

L’imagerie polarimétrique permet d’estimer certaines caractéristiques d’un milieu qui peuvent ne pas être révélées par imagerie d’intensité standard. Cependant, les mesures effectuées peuvent être fortement perturbées par des fluctuations inhérentes aux processus physiques d’acquisition. Ces fluctuations sont difficiles à atténuer, notamment à cause de la fragilité des milieux observés ou de l’inhomogénéité des images acquises. Il est alors utile de caractériser la précision des estimations qu’il est possible d’obtenir. Dans cette thèse, cette question est abordée au travers de deux applications d’imagerie polarimétrique : la microscopie non-linéaire de second harmonique résolue en polarisation (PSHG) pour l’analyse de l’organisation structurale d’objets biomoléculaires, et l’imagerie radar polarimétrique interférométrique à synthèse d’ouverture (PolInSAR) pour l’estimation des paramètres du couvert forestier. Pour la première application, la précision d’estimation en présence de bruit de Poisson est caractérisée pour l’ensemble des assemblages moléculaires présentant une symétrie cylindrique, ce qui permet notamment d'aboutir à une procédure de détection des mesures qui ne permettent pas d’atteindre une précision d’estimation requise. Pour l’imagerie PolInSAR, on analyse une modalité d'acquisition intéressante pour les futures missions satellitaires. En particulier, on étudie dans ce contexte la précision d'estimation de la hauteur de végétation en présence de bruit de speckle en s'appuyant sur l'analyse du contraste polarimétrique. Une interprétation simple des comportements de cette modalité d'acquisition est obtenue dans la sphère de Poincaré. / Polarimetric imaging allows one to estimate some characteristics of a medium which might not be revealed by standard intensity imaging. However, the measurements can be strongly perturbed by fluctuations that are inherent in the physical acquisition processes. These fluctuations are difficult to attenuate, for instance because of the fragility of the observed media or because of the inhomogeneity of the obtained images. It is then useful to characterize the estimation precision that can be reached. In this thesis, this question is addressed through two polarimetric imaging applications: polarized-resolved second-harmonic generation non-linear microscopy (PSHG) for the analysis of the structural organization of biomolecular objects, and polarimetric interferometric synthetic aperture radar imaging (PolInSAR) for the estimation of vegetation parameters. For the first application, the estimation precision in the presence of Poisson noise is characterized for any molecular assembly that presents a cylindrical symmetry. This study results in particular in a procedure to detect the measurements that do not lead to a required precision. For PolInSAR imaging, we analyze an acquisition system that is interesting for future spatial missions. In particular, the estimation precision of the vegetation height is studied in this context in the presence of speckle noise by relying on the analysis of the polarimetric contrast. A simple interpretation of the behavior of this acquisition system is obtained in the Poincaré sphere.

No description available.

Les techniques d'imagerie optique, dans la gamme de longueurs d'onde visible et proche infrarouge, permettent d'examiner très facilement les tissus biologiques de manière non invasive. Toutefois la forte diffusion des tissus biologiques limite fortement leur examen en profondeur. Examinés en rétrodiffusion (examen de la peau ou du col de l'uterus par exemple), non seulement les mesures sont polluées par la réflexion spéculaire, mais l'information sur la source volumique du signal est également perdue du fait de la forte diffusion. La prise en compte de la diffusion dans le modèle de propagation de la lumière permet d'évaluer cette distribution volumique du signal lumineux en fonction des propriétés optiques du milieu. Pour sophistiquer l'approche, nous introduisons un filtrage polarimétrique, basé sur l'utilisation de la lumière polarisée elliptiquement, particulièrement approprié à la géométrie de rétrodiffusion, permettant avant tout un sondage sélectif en profondeur tout en s'affranchissant de la réflexion spéculaire. Cette technique permet ainsi d'examiner les tissus à l'échelle mésoscopique (jusqu'à l'échelle du millimètre). / Optical imaging techniques using the visible and near-infrared wavelengths allow an easy and non-invasive way of analysing biological tissues. However, the high scattering of biological tissues significantly limits the depth of examination. Backscattering examination (of skin or of the cervix for example) shows not only that the measurements are polluted by mirror reflection, but also that information about the source of the signal is lost as a result of the high scattering. Including scattering in the light propagation model allows the evaluation of the volume distribution of the light signal as a function of the optical properties of the medium. In order to make the approach more sophisticated, we introduced a polarimetric filtering that uses elliptically polarised light. This is not only particularly appropriate for backscattering geometry, but also allows firstly to probe at selected depths and secondly to eliminate mirror reflection. Thus, this technique allows the examination of tissues at a mesoscopic scale (up to the milimeter scale).

L'amélioration de la visualisation in vivo des lésions précancéreuse (dysplasies) du col utérin est essentielle pour mieux identifier les zones à biopsier et pour optimiser la définition des limites d'exérèse chirurgicale. Dans ce but nous étudions une nouvelle technique d'imagerie polarimétrique en rétrodiffusion, que nous avons mise en oeuvre sur des échantillons ex vivo dans des configurations expérimentales variées afin d'optimiser le diagnostic in vivo. Comme cette optimisation passe par la compréhension des contrastes polarimétriques observés, nous avons réalisé de nombreuses simulations de la propagation de lumière polarisée dans des structures multicouche représentatives des tissus. Ces structures comprennent typiquement une couche comportant des diffuseurs dans une matrice homogène et représentant l'épithélium ou le tissu conjonctif superficiel, et un substrat lambertien totalement dépolarisant pour les couches plus profondes. Ces simulations ont été effectuées au moyen d'un code Monte Carlo que nous avons adapté à notre problématique. Nous avons ainsi montré que la contribution des noyaux cellulaires est très faible en rétrodiffusion. Pour le tissu conjonctif, les fibres de collagène, modélisées par des diffuseurs sphériques de 200 nm de rayon, donnent une contribution plus importante que les noyaux, mais ne reproduisent pas la réponse polarimétrique de type Rayleigh observée dans tous les tissus étudiés, qu'ils soient sains ou pathologiques. En revanche, l'inclusion de diffuseurs de taille nettement inférieure à la longueur d'onde, modélisés par des sphères de 50 nm, permet de reproduire cette réponse de manière très stable. Ces diffuseurs correspondent a priori aux protéines intracellulaires. Dans le cadre de ce modèle, les contrastes observés entre tissus sains et cancéreux s'expliquent essentiellement par une variation de la concentration de ces petits diffuseurs. Ce résultat, encore préliminaire, suggère que l'imagerie polarimétrique en rétrodiffusion peut être sensible non seulement à la morphologie, mais également à l'état physiologique du tissu, ce qui peut s'avérer important pour la détection sélective des dysplasies.

Le mélanome est un cancer rare de la peau qui se développe à partir des cellules responsables de la pigmentation : les mélanocytes. Depuis quelques années, nous observons une augmentation significative du nombre de personnes atteintes par cette maladie, de mauvais pronostic et très agressive (132 000 nouveaux cas chaque année dans le monde). Le taux de mortalité de ce cancer est très élevé en raison de la rapidité de propagation des cellules cancéreuse dans d’autres régions du corps. En France, on remarque un nombre relativement élevé de cas détectés, plus particulièrement en Bretagne. La tumeur se présente comme une tâche dont l’apparence est très proche du grain de beauté. Si elle est détectée suffisamment tôt, un prélèvement suffit à la guérison et les risques de récidives sont très faibles. En revanche, une fois que les métastases se propagent, les chances de survie à long terme sont très faibles. Malgré les récentes avancées en thérapie ciblée, les traitements du mélanome métastatique restent encore limités. En partenariat avec le groupe Malakoff Médéric, nous développons actuellement un système optique pour la détection précoce du mélanome cutané. Celui-ci est basé sur les propriétés de polarisation de la lumière. La thèse présente la conception du système, de l’étude de faisabilité jusqu’à l’étape finale d’étalonnage. Nous proposons également différents tests sur des échantillons de simulation. Ces derniers nous permettent de démontrer la corrélation qu’il existe entre les effets de polarisation et les modifications biologiques en cours lors du développement du mélanome. Cette étude préliminaire nous prépare aux expérimentations sur de vrais échantillons. / Melanoma is a rare cancer that develops from the pigmentation cells of the skin. Recently, we notice a significant increase in the number of people affected by this aggressive disease with a poor prognosis (132 000 new cases each year worldwide). The mortality rate of this cancer is very high, which is due to the rapid spread of cancerous cells to other parts of the body. In France, there is a relatively high number of cases detected, especially in Britanny. The tumor is a spot which looks like a mole. If detected early, a levy is sufficient to healing and the risk of recurrence is very low. However, once metastasis spread, the long-term prognosis is very low. Despite recent advances in targeted therapy, the treatments of metastatic melanoma are still limited. In partnership with the Malakoff Mederic group, we are currently developing an optical system for early detection of cutaneous melanoma. It is based on the polarization properties of light. The PhD focuses on the design of the system, from the feasibility study to the final calibration. We also present various tests on samples of simulation. These allow us to demonstrate the correlation between the effects of polarization and biological changes during the development of melanoma. This preliminary study prepares us to experiments on real samples.