La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (SRDrs) est une méthode de biopsie optique qui cherche à estimer les spectres des propriétés d'absorption et de diffusion d'un tissu. Ces spectres contiennent une information riche sur la composition biochimique du tissu sondé ainsi que sur son histoarchitecture. Un des domaines d'applications est la dermatologie, où la SRDrs s'avère particulièrement adaptée à la détection de mélanomes. Une détection précoce des mélanomes est étroitement liée à un meilleur pronostic de la maladie. Puisque les tissus cancéreux ont une composition biochimique et une histoarchitecture différente des tissus sains, la SRDrs est un outil efficace pour assister les médecins au moment du diagnostic. Le principal avantage de la SRDrs par rapport à d'autres méthodes de biopsie optique est que l'instrumentation est très simple, ce qui permet de développer des montages compacts, portables et peu dispendieux. De plus, le signal spectral rétrodiffusé permet d'estimer simultanément les spectres d'absorption et de diffusion. Le principal inconvénient de la SRDrs est sa résolution spatiale. En effet, il est difficile de sonder un tissu très localement car le signal lumineux est typiquement envoyé par une fibre optique d'illumination et est collecté par plusieurs fibres de détection situées à différentes distances de la fibre d'illumination. Cette disposition offre peu de contrôle sur le volume échantillonné par la lumière. Ce volume dépend du positionnement des fibres d'illumination et de détection ainsi que des propriétés du milieu. Plus le volume échantillonné est grand, plus la lumière risque d'interagir avec différentes structures dans le tissu. Ceci est problématique puisque le milieu est généralement considéré comme homogène lors de la modélisation numérique de la propagation des photons. Cette approximation n'est pas appropriée pour les tissus épithéliaux qui présentent généralement une structure en couches. L'objectif de ce projet est de développer une sonde de SRDrs pour l'évaluation quantitative des spectres des propriétés optiques de milieux bicouches, en particulier pour la détection de mélanomes. La première partie de ce projet investigue la profondeur échantillonnée minimale qu'il est possible d'atteindre en SRDrs tout en respectant les conditions de validité des approximations du modèle numérique. Lorsque les conditions de validité des approximations ne sont pas respectées, l'estimation des propriétés optiques est alors qualitative plutôt que quantitative. Une estimation qualitative peut être suffisante pour assister au diagnostic, mais une estimation quantitative permet d'améliorer la connaissance sur la composition biochimique et l'histoarchitecture des tissus. De plus, des mesures quantitatives permettent de comparer les résultats entre différents montages expérimentaux. Pour évaluer la profondeur échantillonnée minimale en SRDrs, une méthodologie est développée pour définir les distances minimales et maximales entre les fibres d'illumination et de détection nécessaires à une évaluation quantitative des propriétés optiques. Afin de réduire au minimum la profondeur échantillonnée, le cas de fibres inclinées par rapport à la surface est considéré. La deuxième partie du projet consiste en une analyse numérique du problème inverse en SRDrs. L'objectif est de concevoir la géométrie d'une sonde qui permet d'estimer quantitativement les spectres des propriétés optiques d'un milieu bicouche. Pour ce faire, un modèle numérique pour estimer les propriétés optiques d'un milieu bicouche à partir de mesures de réflectance est développé. Le coût de calcul de ce modèle est très élevé. Diverses stratégies telles que l'utilisation de simulations de Monte Carlo à l'aide de cartes graphiques et la parallélisation massive sur des serveurs externes sont utilisées pour réduire le temps de calcul. Le modèle numérique est ensuite utilisé pour analyser l'effet de chaque paramètre géométrique de la sonde sur l'estimation des propriétés optiques. Les paramètres tels que le nombre de fibres optiques, leur positionnement et leur inclinaison sont successivement testés. Une géométrie de la sonde qui optimise la précision et la robustesse de l'estimation des propriétés optiques est développée. La géométrie choisie respecte les contraintes du modèle numérique présentées à la première partie et les contraintes expérimentales liées à la détection de mélanomes. Cette géométrie de sonde est ensuite validée numériquement en simulant des données artificielles bruitées. Les capacités et les limites de la sonde à estimer les propriétés de milieux bicouches sont caractérisées. Dans la troisième partie du projet, la sonde est fabriquée et intégrée à un montage expérimental de SRDrs. Des méthodes de traitement de signal et d'étalonnage sont développées à partir de mesures expérimentales. Des fantômes optiques homogènes et bicouches de propriétés connues sont utilisés pour valider les résultats numériques obtenus précédemment. La sonde et le modèle numérique d'estimation associé estiment les coefficients optiques de chacune des couches ainsi que la position de l'interface des fantômes optiques bicouches avec une erreur de moins de 20% pour des épaisseurs de la couche superficielle variant de 0.1 à 1.5 mm. Des mesures in vivo sur la peau sont acquises afin de démontrer l'intérêt de la sonde pour des applications dermatologiques. L'épaisseur estimée de l'épiderme concorde avec les valeurs rapportées dans la littérature. / Spatially resolved diffuse reflectance spectroscopy (srDRS) is an optical biopsy method that seeks to estimate a tissue's absorption and diffusion spectra. These spectra contain rich information about the biochemical composition of the tissue and its histoarchitecture. One area of application of srDRS is dermatology, where it is particularly well suited for detecting melanoma. Early detection of melanoma is closely related to a better prognostic. Because cancerous tissues have a biochemical composition and a histoarchitecture different from those of healthy tissues, srDRS is an efficient tool to assist medical practitioners during the diagnostic. The main advantage of srDRS compared to other optical biopsy methods is that the optical setup is simple, which allows the development of compact, portable, and cheap setups. Additionally, the backscattered spectral signal is used to simultaneously estimate the absorption and the scattering properties of the tissue. The main drawback is the spatial resolution because it is difficult to probe the sample in a very localized manner. This is because the light signal is typically sent from an illumination optical fiber and is collected by several detection fibers placed at different distances from the illumination fiber. This geometry offers little control over the volume sampled by light. The sampled volume depends on fiber placement as well as the optical properties of the sample. The greater the sampled volume is, the higher the probability of light interacting with several structures. This is problematic because the sampled volume is generally assumed to be homogeneous while modeling photon propagation inside the tissue. This assumption is not adequate for epithelial tissues, which often present a layered structure. The goal of this project is to develop an srDRS probe to quantitatively estimate the spectra of optical properties in bilayered media. The primary considered application for the probe is melanoma detection. The first part of the project is to investigate the minimal sampled depth that is achievable in srDRS while respecting the conditions for which the approximations in the numerical model are valid. When these conditions are not respected, the estimation of the optical properties can only be qualitative, as opposed to quantitative. A qualitative estimation may be sufficient to assist in the diagnostic, but a quantitative estimation can improve our knowledge of tissue structure and composition and has the added benefit of being comparable across different optical setups. To evaluate the minimal sampled depth in srDRS, a methodology is developed to define the minimal and maximal distances between the illumination and detection fibers that are required to obtain a quantitative estimation of the optical properties. To reduce as much as possible the sampled depth, fibers tilted with respect to the tissue's surface are considered. The second part of the project consists in a numerical analysis of the inverse problem in srDRS, where the goal is to design a probe geometry that allows a quantitative estimation of the optical properties' spectra in a bilayered medium. To carry out this analysis, a numerical model to estimate the optical properties of a bilayered medium from reflectance measurements is developed. The computation cost for this model is very high, so several strategies, such as using GPUs for the Monte Carlo simulations and massively parallelizing the problem on computing clusters, are used to reduce the computation time. The numerical model is then used to analyze the effect of each geometrical parameter of the probe on the estimation of the optical properties. The effect of each parameter, such as the number of optical fibers, their placement, and tilt angles are iteratively tested. A probe geometry is chosen to optimize the precision and robustness of the estimation of the optical properties. The chosen geometry satisfies the constraints of the numerical model presented in the first part as well as the experimental constraints related to melanoma detection. The chosen geometry is then numerically validated. By using synthetic noisy data, the capacities and limits of the probe to estimate the properties of bilayer media are characterized. In the third part, the probe is built and integrated into an experimental srDRS setup. A signal processing and a calibration scheme are developed and applied to experimental measures. Homogeneous and bilayer optical phantoms with known optical properties are used to validate the numerical results obtained in the second part of the project. The probe and the numerical model estimate the optical properties of each layer as well as the position of the interface between the two layers in bilayer phantoms with an estimation error of less than 20% when the thickness of the superficial phantom is between 0.1 and 1.5 mm. In vivo measures on the skin are acquired to demonstrate the capabilities of the probe for dermatological applications. The estimated epidermal thickness corresponds to the values reported in the literature.

La turbulence est supposée être la source principale du transport anormal dans les tokamaks, qui conduit à la perte de chaleur beaucoup plus rapidement que celui prédit par la théorie néoclassique. Développement de diagnostics dédiés à la caractérisation de la turbulence du plasma est l'un des principaux enjeux de la fusion nucléaire pour contrôler les flux de particules et de transport d'énergie de la centrale électrique de fusion avenir. Les diagnostics basés sur la diffusion des micro-ondes induite par le plasma ont focalisé l'attention des chercheurs comme outils non perturbants, et nécessitant seulement un accès unique de faible encombrement au plasma. Le principe de base est lié à la phase de l'onde réfléchie qui contient des informations sur la position de la couche de coupure et les fluctuations de densité. La réflectométrie corrélation considérée ici, maintenant couramment utilisée dans les expériences, est la technique fournissant de l'information sur le plasma microturbulence. Bien que le diagnostic soit largement répandu l'interprétation des données reste une tâche assez compliquée. Ainsi, il a été supposé que la distance à laquelle la corrélation des deux signaux reçus à partir du plasma est supprimée est égale à la longueur de corrélation de turbulence. Toutefois, cette approche est erronée et introduit des erreurs énormes sur l'évaluation des paramètres de la microturbulence du plasma. L'objectif de cette thèse fut d'abord le développement d'une théorie analytique, puis de fournir une interprétation correcte des données de la réflectométrie de corrélation radiale (RCR) et enfin d'offrir aux chercheurs des formules simples pour extraire des informations sur les paramètres de turbulence à partir d'expériences utilisant la RCR. Des simulations numériques basées sur la théorie ont été utilisées pour prouver l'applicabilité de la méthode théorique, pour donner un aperçu aux expérimentateurs sur ses capacités et pour optimiser les paramètres du diagnostic lors de son utilisation en fonction des conditions de plasma. De plus, les résultats obtenus sur trois machines différentes sont soigneusement analysés et comparés avec les prédictions théoriques et des simulations numériques / Turbulence is supposed to be the main source of anomalous transport in tokamaks which leads to loss of heat much faster than as it is predicted by neoclassical theory. Development of plasma turbulence diagnostics is one of the key issues of nuclear fusion to control turbulent particles and energy transport in a future fusion power station. Diagnostics based on microwaves scattered from plasma attract attention of researchers as non-disturbing and requiring just a single access to plasma. The phase of the reflected wave contains information on the position of the cut-off layer and density fluctuations. Correlation reflectometry is now a routinely used technique providing information on plasma microturbulence. Although the diagnostics is widely spread data interpretation remains quite a complicated task. Thus, it was supposed that the distance at which the correlation of two signals received from plasma is suppressed is equal to the turbulence correlation length. However this approach is incorrect and introduces huge errors to determined plasma microturbulence parameters. The aim of this thesis is to develop an analytical theory, to give a correct interpretation of radial correlation reflectometry (RCR) data and to provide researchers with simple formulae for extracting information on microturbulence parameters from RCR experiments. Numerical simulations based on the theory prove applicability of this theoretical method and give an insight for experimentalists on its capability and on optimized diagnostic parameters to use. Furthermore the results obtained on three different machines are carefully analyzed and compared with theoretical predictions and numerical simulations as well

Dans l'ouvrage [DBB06], Dutré et al. énumèrent dix problèmes d'Illumination Globale non résolus. Parmi ceux-ci, huit sont liés à la mesure et à l'intégration de données réelles dans les simulations. Cette thèse, en quatre parties et trois annexes, s'intéresse à cette problématique. Tout d'abord, les simulations de la propagation de la lumière dans les domaines du rendu physiquement réaliste, de l'éclairage, de la télédétection, de la conception de systèmes optiques... sont envisagées comme résolutions numériques d'un problème d'optique, fédérées par la notion de " photosimulation ". Dans le cadre de l'équation de rendu, les modèles réalistes de sources et le principe de la mesure goniophotométrique en champ lointain sont alors rappelés. La représentation des interactions lumière-matière est ensuite introduite par une exploration de l'apparence macroscopique, qui amène au rappel de la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle et Spectrale (SBRDF), de ses principales propriétés et modèles. Le problème de la mesure pratique de la SBRDF d'une surface dans le visible est ensuite exploré. Id est, une taxonomie des méthodes de la littérature est établie ; qui allègue en faveur du développement de nouvelles approches. Un dispositif innovant, multispectral imageant, est alors présenté. Il se fonde sur la capture de la projection de la SBRDF sur un écran lambertien 3/4-sphérique, par une caméra multispectrale grand angle, assemblage d'un objectif fisheye, d'un filtre dynamique LCTF et d'une caméra CCD 12 bits. L'extraction des images capturées de l'information de la SBRDF repose sur un modéle radiométrique, qui explicite la transformation de la lumière en niveaux des pixels, dans le formalisme physique. Ce modèle soulève des problèmes de reconstruction multispectrale et d'interréflexions, pour lesquels de nouveaux algorithmes de résolution sont implantés. Les mesures de SBRDF produites semblent très prometteuses. Dans la troisième partie, le problème de la reconstruction d'une fonction directionnelle, identifié comme fondamental en photosimulation, est traité dans le cadre de la reconstruction de SBRDF discrètes. Pour cela, les propriétés mathématiques souhaitables des fonctions reconstruites sont envisagées. Puis, à l'aune de ce corpus, les approches de la littérature sont discutées ; justifiant la recherche d'algorithmes plus performants. Une nouvelle méthode est alors proposée, fondée sur une double triangulation sphérique des échantillons, et une généralisation à la surface d'un triangle sphérique de l'interpolant spline cubique de Hermite. La fonction reconstruite est interpolante, dérivable, quasi-déterministe, ne présente pas l'artéfact bidirectionnel, intègre la métrique sphérique non euclidienne, et prend en compte le difficile problème du masquage. Qualitativement comme quantitativement, les résultats obtenus semblent plaider en faveur du surcroît de complexité théorique qu'induit cette approche. Dans la dernière partie, cet algorithme de reconstruction est appliqué au problème de la " photométrie en champ proche ", ou, la caractérisation d'une source réelle par un solide photométrique étendu. La supériorité théorique du modèle étendu est d'abord démontrée. Puis, un état de l'art de la photométrie en champ proche est réalisé ; justifiant la mise en œuvre d'une nouvelle approche. Un nouveau dispositif est alors présenté. Il repose sur le déplacement d'un vidéoluminancemètre, couplage original d'une caméra CCD 12 bits avec un luxmètre, le long d'une trajectoire hémisphérique relative à la source. Les procédures de calibrage de l'instrument - géométrique, radiométrique, et photométrique - sont explicitées. Les sources de lumière caractérisées par cette approche ont été jugées suffisamment probantes pour être intégrées aux photosimulations spectrales du CSTB

Dans le but de déterminer le phénomène physique ou chimique caché derrière l'efficacité des agents fluorescents à inhiber le photojaunissement de la lignine, plusieurs études ont été menées. Tout d'abord, une étude d'efficacité de nouvelles molécules d'agents fluorescents a été faite avec la technique des feuilles minces, faites de pâtes à haute teneur en lignine. Lors de cette étude, une molécule s'est démarquée du lot de par son efficacité à court et à long terme. Il s'agit d'UQTR-010. Par la suite, une étude de stabilité des agents fluorescents face aux conditions expérimentales en laboratoire a été menée. Cette étude a été réalisée en exposant des solutions aqueuses, ou des feuilles minces vaporisées d'agent fluorescent, à divers rayonnements, soit à une lumière rouge, aux fluorescents du laboratoire et à la lumière du jour pénétrant par les fenêtres du laboratoire. Une étude de cinétique de dégradation a aussi été faite. Ainsi, nous avons pu nous assurer que les lumières du laboratoire ne dégradaient pas nos agents fluorescents, autant sur matrice solide que liquide, ainsi que des précautions devaient être prises si les échantillons étaient manipulés dans un laboratoire ayant des fenêtres laissant entrer la lumière du soleil. Ensuite, nous avons mis en relation l'efficacité de certains agents fluorescents avec leurs propriétés physico-chimiques dans le but de trouver une corrélation qui nous guiderait dans nos études futures. Ainsi, nous avons utilisé comme propriétés le pourcentage d'isomères trans des agents fluorescents en solution aqueuse, la durée de vie de fluorescence et le temps de demi-vie des molécules fluorescentes. La conclusion de cette étude est qu'aucune corrélation n'est observée entre l'efficacité des agents et l'une ou l'autre de ces propriétés. Nous avons aussi corrélé l'efficacité des agents fluorescents avec la force de l'oscillateur de la première transition s'effectuant dans la molécule, soit la transition HOMO-LUMO, et la force de l'oscillateur de la seconde transition, soit la transition HOMO-LUMO+X. Aucune corrélation n'est observée du côté de la force de l'oscillateur de la première transition. Cependant, en se penchant du côté de la seconde transition, nous trouvons un coefficient de corrélation satisfaisant entre l'efficacité des agents fluorescents et la force de l'oscillateur de cette seconde transition. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Lignine, agents fluorescents, spectroscopie UV-Visible, spectroscopie de réflectance, modélisation moléculaire, transitions électroniques, feuilles minces

Les carences nutritives sont responsables de diminutions significatives de la croissance et du rendement des végétaux. Afin de réduire leurs effets néfastes il est important de les détecter le plus tôt possible. Les méthodes actuelles de détection nécessitent la collecte de matériel végétal, leur analyse chimique ainsi que la détermination de ‘seuil de carence’ selon des grilles pré-établies de composition chimique des feuilles, par exemple. L’ensemble de ces méthodes requiert beaucoup de temps et le diagnostic tombe parfois trop tard pour une fertilisation de correction. La télédetection par réflectance et fluorescence pourrait permettre la détection de carences nutritives en temps réel. Dans le cadre de ce projet de recherche nous avons évalué le potentiel de détection des carences nutritives sur des feuilles de végétaux, par réflectance passive et fluorescence active. Pour ce faire, nous avons induit trois carences nutritives (N, K, Mg) sur des plants de pomme de terre. La carence en azote a significativement réduit la croissance des plants contrairement aux carences en K ou Mg. Le potentiel de détection des carences par réflectance et fluorescence a été influencé par cette réduction de la croissance et il était beaucoup plus aisé de détecter les carences en azote que les carences en potassium ou en magnésium. Nous avons aussi développé un indicateur de déséquilibre azoté basé sur le calcul du diagnostic de composition nutritive (CND). Cet indicateur est composé d’une variable canonique intégrant l’information des 24 indices de réflectance et fluorescence. Il a permis la détection des plants en déséquilibre azoté à près de 70 %. Nous avons aussi évalué l’impact de l’angle de mesure et de la densité de nervures des feuilles exposées au fluorimètre, sur le potentiel de détection des carences nutritives. Le potentiel de détection des carences azotées est augmenté lorsque le fluorimètre est incliné et que les plus vieilles feuilles de même que celles ayant une densité de nervures plus faible sont ciblées. Ce projet de recherche a donc permis de confirmer le potentiel de la réflectance et de la fluorescence pour la détection des carences nutritives en plus de déterminer un indice de déséquilibre nutritif basé sur des mesures de télédétection et de conclure que les mesures de fluorescence à un angle de vue près du nadir ne sont pas nécessairement optimales pour la détection de certaines carences nutritives. Cette recherche, en plus d’être innovatrice permet d’améliorer le rendement des végétaux dans un contexte de développement durable. / Nutrient deficiencies are responsible for significant reductions of crop growth and yields. In order to reduce their negative impacts, it is important to detect those deficiencies as early as possible. Current methods include plant material collection and chemical analyses that may not provide deficiency detection within the time-window necessary for plant response to recovery fertilization. Reflectance and fluorescence are two methods associated with remote sensing. In this research project we evaluated the potential of reflectance and fluorescence to detect nutrient deficiencies in crops. To do so, we induced three nutrient deficiencies (N, K, Mg) on potato plants. The nitrogen deficiency significantly reduced crop growth contrary to K or Mg deficiencies. The potential of reflectance and fluorescence to detect nutrient deficiencies was related to growth reduction and it was easier to detect nitrogen deficiency than magnesium or potassium deficiencies. We also developed a nitrogen imbalance indicator based on the computation of the compositional nutrient diagnosis (CND). This indicator corresponds to a canonical variable including information coming from 24 reflectance and fluorescence indices. It allowed the detection of nearly 70% of nitrogen-imbalanced plants. Moreover, we also evaluated the impact of the angle of view and of veins density on the detection of nutrient deficiencies using fluorescence. The detection of nitrogen deficiencies was improved when the fluorometer was inclined and faced older leaves or leaves having a lower density of veins. The research project confirmed the potential of reflectance and fluorescence for the detection of nutrient deficiencies; it introduced a new nitrogen imbalance index integrating CND and remote sensing data; and it determined that a near-nadir angle of view was not well-suited for the detection of some specific nutrient deficiencies. This research project will help to improve crop yield in a sustainable management context.

Dans l'ouvrage [DBB06], Dutré et al. énumèrent dix problèmes d'Illumination Globale non résolus. Parmi ceux-ci, huit sont liés à la mesure et à l'intégration de données réelles dans les simulations. Cette thèse, en quatre parties et trois annexes, s'intéresse à cette problématique. Tout d'abord, les simulations de la propagation de la lumière dans les domaines du rendu physiquement réaliste, de l'éclairage, de la télédétection, de la conception de systèmes optiques... sont envisagées comme résolutions numériques d'un problème d'optique, fédérées par la notion de « photosimulation ». Dans le cadre de l'équation de rendu, les modèles réalistes de sources et le principe de la mesure goniophotométrique en champ lointain sont alors rappelés. La représentation des interactions lumière-matière est ensuite introduite par une exploration de l'apparence macroscopique, qui amène au rappel de la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle et Spectrale (SBRDF), de ses principales propriétés et modèles. Le problème de la mesure pratique de la SBRDF d'une surface dans le visible est ensuite exploré. Id est, une taxonomie des méthodes de la littérature est établie ; qui allègue en faveur du développement de nouvelles approches. Un dispositif innovant, multispectral imageant, est alors présenté. Il se fonde sur la capture de la projection de la SBRDF sur un écran lambertien 3/4-sphérique, par une caméra multispectrale grand angle, assemblage d'un objectif fisheye, d'un filtre dynamique LCTF et d'une caméra CCD 12 bits. L'extraction des images capturées de l'information de la SBRDF repose sur un modéle radiométrique, qui explicite la transformation de la lumière en niveaux des pixels, dans le formalisme physique. Ce modèle soulève des problèmes de reconstruction multispectrale et d'interréflexions, pour lesquels de nouveaux algorithmes de résolution sont implantés. Les mesures de SBRDF produites semblent très prometteuses. Dans la troisième partie, le problème de la reconstruction d'une fonction directionnelle, identifié comme fondamental en photosimulation, est traité dans le cadre de la reconstruction de SBRDF discrètes. Pour cela, les propriétés mathématiques souhaitables des fonctions reconstruites sont envisagées. Puis, à l'aune de ce corpus, les approches de la littérature sont discutées ; justifiant la recherche d'algorithmes plus performants. Une nouvelle méthode est alors proposée, fondée sur une double triangulation sphérique des échantillons, et une généralisation à la surface d'un triangle sphérique de l'interpolant spline cubique de Hermite. La fonction reconstruite est interpolante, dérivable, quasi-déterministe, ne présente pas l'artéfact bidirectionnel, intègre la métrique sphérique non euclidienne, et prend en compte le difficile problème du masquage. Qualitativement comme quantitativement, les résultats obtenus semblent plaider en faveur du surcroît de complexité théorique qu'induit cette approche. Dans la dernière partie, cet algorithme de reconstruction est appliqué au problème de la « photométrie en champ proche », ou, la caractérisation d'une source réelle par un solide photométrique étendu. La supériorité théorique du modèle étendu est d'abord démontrée. Puis, un état de l'art de la photométrie en champ proche est réalisé ; justifiant la mise en œuvre d'une nouvelle approche. Un nouveau dispositif est alors présenté. Il repose sur le déplacement d'un vidéoluminancemètre, couplage original d'une caméra CCD 12 bits avec un luxmètre, le long d'une trajectoire hémisphérique relative à la source. Les procédures de calibrage de l'instrument – géométrique, radiométrique, et photométrique – sont explicitées. Les sources de lumière caractérisées par cette approche ont été jugées suffisamment probantes pour être intégrées aux photosimulations spectrales du CSTB / Pas de résumé en anglais

L'accès aux profils hydriques de sol est essentiel en agronomie et en hydrologie pour connaître l'état de la réserve en eau utilisable par les plantes et les transferts hydriques dans la zone non-saturée. Les techniques de mesures sont aujourd'hui encore très lourdes en main d'oeuvre et peu pratiques. Nous développons une méthode permettant de calculer le profil hydrique a partir de la courbe de signal réfléchi enregistrée par réflectométrie dans le domaine temporel (tdr) le long de guides d'onde (en général deux tiges métalliques parallèles pouvant mesurer jusqu'a 1 m) enfoncées dans le sol depuis la surface. Nous modélisons dans un premier temps la propagation mono dimensionnelle du signal émis par le réflectomètre dans un milieu stratifie donne, de caractéristiques diélectriques supposées stationnaires et lentement variables le long des guides. Nous aboutissons à un modèle temporel discret de calcul de courbes de signal réfléchi a partir d'un profil hydrique donne. Ce modèle simule remarquablement bien les résultats en milieux contrôlés de notre réflectomètre. Notre objectif étant inverse, nous avons explore deux voies pour l'atteindre : l'inversion du modèle de simulation, basée sur un algorithme de layer-peeling, et l'identification du profil via l'optimisation des paramètres d'entrée du modèle de simulation par algorithme génétique. Ces deux solutions donnent des résultats très satisfaisants en milieux contrôlés malgré les défauts du matériel de mesure mis en évidence. la seconde est plus lourde en temps de calcul mais permet de tenir compte d'un amortissement du signal que nous avons introduit dans le modèle de simulation. La première se révèle cependant presque aussi précise en milieu réel que les mesures d'humidité directes a différentes profondeurs par guides d'onde courts enterres et permet d'effectuer des bilans et des suivis de profils hydriques remarquablement fiable.

L'objectif de cette thèse concerne l'association de deux techniques de mesure dans le cadre de la caractérisation in vivo de la peau. La première, nommée Spectroscopie de Réflectance Diffuse (DRS), permet la caractérisation des paramètres optiques de la peau analysée et quantifie les phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière. La deuxième est la microspectroscopie Raman. Elle fournit une identification chimique des composés analysés sans marquage. L'objet de cette thèse est d'évaluer l'effet de l'interaction lumière-matière sur les capacités de localisation et de quantification de la microspectroscopie Raman, lesquelles sont dégradées dans un milieu diffusant tel que la peau. Une approche in vivo bimodale (DRS et Raman) est proposée pour la caractérisation biochimique quantitative des tissus cutanés avec l'idée d'établir un protocole de correction des spectres Raman acquis, en exploitant les propriétés optiques fournies par la DRS. Elle est décomposée en trois axes de travail complémentaires : le développement d'une instrumentation DRS permettant la mesure des spectres de réflectance diffuse et le calcul des propriétés optiques dans la zone sondée par la spectroscopie Raman ; le développement de fantômes optiques permettant une compréhension expérimentale des phénomènes d'absorption, de diffusion élastique et de diffusion Raman; le développement d'un protocole de correction des spectres Raman à partir des propriétés optiques obtenues par DRS. / This thesis relates to the combination of two in vivo skin characterization techniques. On the one hand, Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) enables skin optical properties characterization by quantifying light absorption and light elastic scattering. On the other hand, Raman microspectroscopy provides information on molecular compositions of tissues with no need of labeling. Localization and quantification functions of Raman microspectroscopy are both distorted in scattering media such as skin. Therefore, the aim of this thesis was to assess the effect of light-matter interactions on these functions. A bimodal method is proposed to achieve quantitative biochemical characterization of cutaneous tissues in vivo. The main idea is to develop a procedure of Raman spectra correction based on the quantified optical properties provided by DRS. This work was divided in three complementary approaches: the development of a system enabling diffuse reflectance and optical properties measurements in the same zone as Raman microspectroscopy; the fabrication of optical phantoms improving our knowledge on absorption, elastic scattering and Raman scattering phenomena; and the development of a Raman spectra correction model as function of the skin optical properties given by DRS measurements.

Les roches mafiques à ultramafiques permettent de tracer les processus de formation et d'évolution des surfaces planétaires. Pour caractériser ces surfaces, la spectroscopie de réflectance visible-proche infrarouge est une technique adaptée de part sa sensibilité aux absorptions du fer présent dans les minéraux. L'objectif de cette thèse est de déterminer la composition modale des roches, ainsi que la composition chimique des minéraux constitutifs.<br />Nous avons développé une procédure basée sur la mise en oeuvre du Modèle Gaussien Modifié (MGM) qui permet de modéliser les spectres pour des assemblages minéralogiques complexes (olivine - orthopyroxène - clinopyroxène). Après validation de cette approche sur des données simples (poudres), la méthode a été appliquée à des roches naturelles complexes (météorites martiennes et roches d'Oman). Fort de l'expertise acquise dans cette étape intermédiaire, des cartographies minéralogiques ont alors pu être réalisées à partir de données spatiales et aéroportées, respectivement pour le volcan Syrtis Major sur Mars et le massif ophiolitique de Sumail (Oman). Nous avons ainsi montré que les laves de l'édifice volcanique présentent un enrichissement en olivine (Fo50-80) et que les pyroxènes, suivant les conditions de mise en place, peuvent avoir des compositions allant des augites aux enstatites. Pour l'ophiolite d'Oman, nous avons mis en évidence et cartographié pour la première fois des variations spatiales organisées de composition modale au sein même de l'unité harzburgitique. Nous avons également caractérisé des variations de composition dans les clinopyroxènes de la zone crustale ayant des implications pétrogénétiques.<br />Ces apports sont essentiels dans la caractérisation et la compréhension des processus pétrologiques inhérents à la formation des surfaces planétaires et devraient stimuler l'utilisation de l'imagerie spectroscopique à des fins géologiques.

Un système de spectroscopie de réflectance différentielle de surface est adapté sur un bâti de déposition par pulvérisation magnétron afin de suivre in situ et en temps réel les propriétés optiques de films nanocomposites métal:diélectrique. Cette technique permet notamment d'étudier les toutes premières étapes de formation de nanoparticules de métaux nobles dont la réponse optique est dominée par la résonance de plasmon de surface. Cette résonance est sensible à l'environnement des nanoparticules ainsi qu'à leur morphologie et à leur organisation. Pour établir la corrélation entre les propriétés optiques et les nanostructures, des analyses post mortem sont effectuées par microscopie électronique en transmission, en mode balayage, avec un détecteur annulaire champ sombre à grand angle (HAADF-STEM) et par diffusion rayons X aux petits angles obtenue par illumination en incidence rasante (GISAXS). Le suivi in situ de la résonance de plasmon de surface permet d'interpréter les mécanismes de croissance mais aussi les effets de différents traitements classiques - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2), recuit thermique - ou plus originaux en utilisant certaines possibilités de la machine de dépôt - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2) partiellement ionisés ou à un plasma d'Ar à basse énergie. Enfin les effets d'un recouvrement par une matrice protectrice de Si3N4 sont également étudiés. La spectroscopie optique in situ est donc une technique qui permet de contrôler toutes les étapes de fabrication de films nanocomposites. Couplée avec des analyses post mortem, elle permet en outre de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'échelle nanométrique, et d'en quantifier les cinétiques.