Les influences du Soleil sur la Terre sont l'objet de récents développements en astrophysique regroupés sous le terme de météorologie de l'espace. Le vent solaire est une composante importante des interactions entre le Soleil et la Terre, et notamment le vent rapide issu des pôles. Puisqu'il est issu des régions polaires de la couronne, on comprend l'importance d'étudier ces régions. Dans cette thèse, on s'intéressera particulièrement à l'étude de ces régions polaires où se situent les plumes soupçonnées d'être à l'origine du vent solaire rapide. Les méthodes ainsi mises en oeuvre s'appliquent d'ailleurs tout aussi bien aux Éjections de Masse Coronale (CME). Pour ce faire, nous utilisons les données récoltées par les missions spatiales SoHO et STEREO. Ces missions fournissent des mesures de l'émission lumineuse du Soleil dans l'extrême ultra-violet (EUV) et des données coronographiques dans le visible. Il est important pour les reconstructions volumiques de la couronne de noter la présence de deux satellites identiques pour STEREO, semblables à SoHO. Ce qui nous permet d'avoir trois points de vue simultanés. Nous avons développé une méthode permettant à la fois de reconstruire l'émission de la couronne en trois dimensions mais également de prendre en compte l'évolution temporelle des plumes et de l'estimer, tout en tirant parti de la simultanéité des mesures selon différents points de vue. Cette avancée a été possible grâce au développement d'un modèle d'évolution des plumes polaires. Dans ce modèle, on suppose les plumes immobiles mais variant en intensité. En définissant par avance la localisation des plumes, on aboutit à un problème bilinéaire selon une composante statique et une composante temporelle. L'outil ainsi développé a été appliqué aux données EUV mesurées par SoHO et par STEREO ainsi que sur simulations. Les simulations ont révélé l'importance de prendre en compte les différents paramètres géométriques de ces missions spatiales. Le développement d'un code de projection et de rétroprojection adapté (et adaptable) ainsi qu'une étude minutieuse nous ont permis de définir les paramètres minimisant les artefacts géométriques de reconstruction. Enfin, la disponibilité de trois canaux de longueurs d'onde pour ces données EUV nous a permis d'effectuer une analyse spectrale des reconstructions en s'affranchissant de l'intégration sur la ligne de visée. En utilisant un modèle liant la répartition spectrale d'émission lumineuse et les paramètres du plasma tels que la densité et la température électronique, nous avons pu estimer ces deux grandeurs physiques pour chaque voxel des cartes tridimensionnelles de la couronne. En conclusion, la disponibilité prochaine de données de la mission SDO nous permettra d'affiner cette étude grâce à 8 canaux de longueurs d'onde EUV. Des développements dans l'estimation automatique des zones d'évolution temporelle et dans la reconstruction de CME sont également envisagés.

L'évaluation de la teneur en eau est actuellement un objectif important pour la caractérisation des sols et la compréhension des mécanismes liés au transfert hydrique et à l'absorption racinaire. Il existe un lien entre les variations de la teneur en eau et la permittivité des sols. L'objectif de ces travaux est d'exploiter ce couplage pour définir un protocole d'imagerie active micro-onde d'un monolithe. En effet, lorsqu'une onde électromagnétique rencontre un objet ayant des dimensions caractéristiques de l'ordre de sa longueur d'onde, celle-ci après interactions, va induire un courant qui à son tour générera un champ électromagnétique diffracté. La mesure de ce champ va permettre de revenir aux informations relatives à l'objet, en particulier sa permittivité. Nous nous appuierons ici sur un système de mesure hyperfréquence constitué d'une cavité métallique cylindrique. Il a donc fallu mettre au point des outils numériques de modélisation et d'imagerie de permettant de décrire le phénomène de diffraction dans un tel environnement. L'imagerie micro-onde quantitative est un problème inverse non-linéaire mal posé. De plus, les mesures du champ électromagnétique sont perturbées, ce qui va induire de l'instabilité dans le problème inverse. C'est pourquoi il est nécessaire de mettre en place un algorithme itératif avec ajout d'informations a priori (polynômes de Zernike) pour obtenir une solution stabilisée. Des reconstructions obtenues à partir de champ mesurés sur différents fantômes sont discutées. De plus, les informations fournies par l'étude du comportement de l'opérateur de diffraction renseignent sur la quantité de données accessibles et les informations a priori qui peuvent être légitimes de considérer.

La miniaturisation est actuellement la voie de recherche la plus explorée dans divers domaines de la science et de la technologie. Les processus de fabrication comme la lithographie se sont prodigieusement développés au cours de ces dernières années et permettent ainsi une réduction importante de la taille des composants. Ce progrès technologique a créé systématiquement le besoin de techniques de caractérisation fiables, efficaces et si possible à moindre coût. L'objet de cette thèse porte sur l'étude d'un outil mathématique original, à savoir les réseaux de neurones, dans le cadre de la métrologie optique et dimensionnelle achevée par voie ellipsométrique. Dans le premier volet de ce travail nous avons montré que le réseau de neurones peut être efficacement employé pour la détermination des propriétés optiques et géométriques (indice de réfraction et épaisseur) des couches minces. A titre illustratif, la classification neuronale a été proposée pour estimer la gamme d'épaisseur des couches sans aucune information a priori sur la structure. Cette technique peut être couplée avec n'importe quel autre algorithme d'optimisation nécessitant une connaissance préalable de la solution. Le second volet montre clairement l'apport des réseaux de neurones dans le domaine de la scatterométrie pour la caractérisation des réseaux de diffraction possédant différents profils géométriques. La méthode neuronale peut également être employée pour la détermination de la période du réseau lorsque cela est nécessaire. La classification neuronale a ensuite été appliquée pour l'identification structurale du modèle géométrique, donnant ainsi une application directe en lithographie pour la détection automatique d'une couche résiduelle nuisible à l'étape de gravure.

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

La diffraction et la diffusion de la lumière sont étudiées de façon théorique et expérimentale puis utilisées pour les applications à la métrologie des composants sub-microniques dans l'industrie de la microélectronique, ainsi qu'aux applications dans le domaine de l'imagerie sélective en milieu diffusant basée sur les propriétés ellipsométriques de la lumière. La modélisation est réalisée à l'aide de la méthode différentielle que nous avons implémentée pour plusieurs situations : diffraction 2D classique et conique et diffraction 3D. Outre les améliorations déjà connues, algorithme des matrices S et règles de factorisation, nous proposons une nouvelle méthode d'intégration matricielle des équations du champ, plus rapide que les formulation existantes, qui nous permet d'aborder le cas des structures 3D de forme arbitraire, aléatoires ou périodiques. Cet outil est ensuite appliqué à l'extension de l'imagerie sélective au cas des surfaces très rugueuses et au problème inverse en microélectronique.

La métrologie in situ et le contrôle de procédés en temps réel sont pour l'industrie de la microélectronique des enjeux d'une importance cruciale. Une technique de caractérisation optique basée sur une analyse de la lumière diffractée par un objet, la scatterométrie, fait preuve pour cela d'un potentiel remarquable. Il s'agit d'une méthode non destructive qui permet de mesurer indirectement et avec excellente précision des grandeurs géométriques de motifs périodiques.<br /><br />Pour la résolution de ce problème inverse, il est coutume de comparer une signature relevée par ellipsométrie (par exemple) avec une bibliothèque de signatures optiques calculées au préalable. Dans cette thèse, ce principe appliqué couramment en situation statique (mesure en ligne d'un échantillon) a été étendu à une application dynamique (suivi de procédés en temps réel), pour laquelle les signatures sont acquises avec une faible résolution en longueurs d'onde mais avec une grande fréquence.<br />Ces développements ont consisté d'une part en l'élaboration d'un algorithme de reconstruction de forme basé sur la régularisation de Tikhonov et d'autre part sur l'utilisation d'une architecture de calcul particulière, les processeurs graphiques (GPU).<br /><br />A des fins de mise au point et de validation, nous nous sommes appuyés sur des procédés de la microélectronique pour lesquels le suivi en temps réel est un défi majeur pour le futur : gravure de résine par plasma et fluage de résine pour la nano-impression.

Un sous-marin, à coques ferromagnétiques, crée une anomalie du champ magnétique terrestre. Comme elle varie en fonction du champ inducteur et des contraintes mécaniques, il doit être capable de l'évaluer en temps réel afin de pouvoir la compenser à l'aide de boucles de courants : c'est l'immunisation en boucle fermée. Sa mise en oeuvre nécessite de connaître l'aimantation du navire à chaque instant. Or, si l'induit est déterministe, il n'en est rien du permanent qui dépend de l'histoire magnétique des tôles. Son évaluation repose sur la mesure du champ magnétique dans l'air et sur la résolution d'un problème inverse. Le manque d'espace dans un sous-marin contraint les capteurs à être très proches des coques. Après une étude du problème direct, nous proposons dans ce travail une formulation magnétostatique du problème inverse adaptée à cette contrainte et validée par des mesures sur un modèle réduit de sous-marin double coque.

Un navire à coque ferromagnétique, sous l'influence du champ magnétique terrestre et de contraintes mécaniques, s'aimante, créant ainsi une anomalie locale du champ. L'immunisation en boucle fermée est un système permettant au bâtiment d'auto-évaluer cette anomalie et de la compenser en temps réel. La mise au point de ce système nécessite le développement d'un outil capable de prédire l'aimantation de la coque à chaque instant. Cette aimantation se décompose en deux parties: d'une part l'aimantation induite et d'autre part l'aimantation permanente. La première partie de ce travail s'attache à présenter les méthodes numériques permettant de calculer l'aimantation induite, c'est-à-dire la réaction du matériau plongé dans un champ inducteur. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à des méthodes intégrales conduisant à des répartitions de charges et de dipôles tangentiels localisées sur la coque. La deuxième partie propose une méthode pour déterminer l'aimantation permanente. Cette aimantation dépendant de l'histoire magnétique du bâtiment (hystérésis, magnétostriction...), un calcul déterministe n'est pas envisageable. Il est alors nécessaire de faire intervenir des mesures de champ magnétique effectuées à l'intérieur de la coque pour l'évaluer. Le présent travail propose une approche originale pour résoudre ce problème inverse. Celui-ci étant mal posé, nous proposons un critère de choix de la solution basé, non pas sur une approche mathématique, mais sur la connaissance physique des phénomènes mis en jeu. Une fois un modèle d'aimantation obtenu, il est alors possible de calculer le champ à l'extérieur du bâtiment. Tous nos résultats ont été validés sur une maquette représentative d'un navire réel.

Dans la fabrication d'un produit, la maîtrise des propriétés physiques des matériaux utilisés est indispensable. Il est donc nécessaire de déterminer leurs propriétés comportementales. On exploite en général des propriétés physiques intermédiaires telles que les propriétés électromagnétiques. Nous avons mis au point une technique de caractérisation sans contact de matériaux non transparents en transposant les concepts de base de l'ellipsométrie optique en hyperfréquence. La caractérisation se fait par résolution d'un problème inverse par deux méthodes numériques : une méthode d'optimisation classique utilisant l'algorithme itératif de Levenberg Marquardt et une méthode de régression par l'uti1isation de réseaux de neurones du type perceptron multicouches. Avec la première méthode, on détermine deux paramètres du matériau sous test à savoir l'indice de réfraction et l'indice d'extinction. Avec la deuxième, on détermine les deux indices ainsi que l'épaisseur de 1'échantillon. Pour la validation, nous avons monté un banc expérimental en espace libre à 30 GHz en transmission et en incidence oblique avec lequel nous avons effectué des mesures sur des échantillons de téflon et d'époxy de différentes épaisseurs (1 à 30 mm). Nous avons obtenu une caractérisation satisfaisante de l'indice et de l'épaisseur. Nous avons ensuite fait des mesures de trois types de papier dont la caractérisation de l'indice était satisfaisante sans toutefois les discriminer. Ces travaux ont montré la possibilité de caractériser des matériaux épais et non transparents par une technique ellipsométrique

Un des buts de l'infographie est de produire des images réalistes. Pour cela, des artistes créent des modèles géométriques complexes ornés de textures détaillées. Malheureusement, selon l'application visée et les ressources disponibles, il doivent souvent "prendre des raccourcis" en répétant des textures ou en utilisant des modèles simples dont les détails sont simulés par une série de couches d'apparence. Afin de créer des objets 3D réalistes, la meilleure source d'inspiration est le monde réel lui-même. Dans ce contexte, nous proposons d'aider l'artiste à créer ces couches d'apparence à partir de l'analyse d'exemples. Nous nous attaquons tout d'abord à la couche de texture couleur, et plus particulièrement aux textures structurées.<br />En effet, ces dernières sont difficilement reproductibles de manière automatique et leur répétition visuelle est gênante pour l'observateur. Afin de réussir à propager de telles textures à partir d'un exemplaire donné, nous proposons de découpler la structure de l'apparence.<br />Nous traitons le problème tout d'abord sous un aspect géométrique. Les textures structurées sont représentées par un maillage 2D qui est analysé afin d'en extraire une description statistique compacte menant à la création d'un générateur permettant de reproduire la structure originelle à volonté. L'utilisateur est pris en compte tout au long du processus et peut influencer le résultat grâce à des cartes de contraintes.<br />En parallèle, nous analysons l'apparence de la texture structurée afin d'extraire un ensemble réduit de textures représentant les matériaux utilisés pour l'intérieur des régions et leur contour. Ces informations nous permettent d'"habiller" de nouvelles structures de manière efficace. Dans un troisième temps, nous utilisons l'information de structure et de texture, ainsi que des informations usager afin de générer et propager des détails 3D sur des modèles. Nous proposons un système générique qui permettra d'alléger les artistes de tâches souvent répétitives et fastidieuses. Nous appliquons ce système à la génération de cartes de hauteurs et présentons plusieurs autres cas d'application.<br />L'ensemble des techniques proposées permet de synthétiser des textures structurées détaillées à partir d'exemples avec un coût mémoire réduit et permettant un rendu en temps-réel, tout en laissant du contrôle à l'utilisateur.