Aujourd'hui, les systèmes d'imagerie sont des instruments complexes qui font interagir optique, détecteur et traitement numérique. Afin de dépasser les performances d'imagerie conventionnelles, il devient nécessaire de tenir compte de cette interaction dès la phase de conception et d'optimiser simultanément les paramètres optiques et numériques. L'objectif de ma thèse est de développer des méthodes d'optimisation conjointe pour obtenir de nouveaux systèmes à performances d'imagerie augmentées et de complexité réduite. J'ai tout d'abord étudié le cas de l'augmentation de la profondeur de champ d'une combinaison optique existante. Un masque de phase binaire a été inséré au voisinage du diaphragme d'ouverture d'un objectif ouvert à f/1.2 et a été optimisé de façon conjointe avec un traitement de déconvolution en utilisant le critère basé sur la qualité de l'image restaurée. L'augmentation de profondeur de champ a été quantifiée et des mesures précises de la fonction de transfert de modulation ont permis de valider expérimentalement l'efficacité de ce type d'imageur non-conventionnel. Dans ces premiers travaux, seul le masque de phase a été modifié lors de l'optimisation. Pour accroître encore l'efficacité du système d'imagerie, il est nécessaire d'optimiser l'ensemble de tous les paramètres optiques. Or l'optimisation d'une combinaison optique est un problème complexe qui doit tenir compte de contraintes spécifiques et nécessite l'utilisation d'un logiciel de calcul optique dédié, comme le logiciel Code V qui a été utilisé dans cette thèse. Comme le critère d'optimisation conjointe basé sur la qualité image n'est plus adapté à ce type d'optimisation, j'ai proposé un nouveau critère. Il se base sur les critères d'optimisation classiques de Code V, qui ont été modifiés de façon à prendre en compte de manière implicite le traitement de déconvolution. Cette méthode de conception a tout d'abord été validée dans le cas de l'optimisation d'un masque de phase pour l'extension de profondeur de champ d'une combinaison optique existante. Les résultats obtenus sont équivalents à ceux donnés par l'optimisation suivant le critère de qualité d'image. La technique a ensuite été utilisée pour améliorer une combinaison conventionnelle existante à très forte ouverture (f/0.75) : en modifiant ses paramètres optiques, la combinaison a été allégée et la qualité d'image a été homogénéisée sur l'ensemble du champ. Enfin, j'ai appliqué cette méthode de conception conjointe pour résoudre le problème important de la sensibilité thermique d'un système infrarouge dans la bande 8-12 µm. Cette méthode a permis de concevoir, à partir de zéro, plusieurs types de combinaisons optiques à courte et longue focale, rendues insensibles à la température. Elles présentent un schéma optique plus simple que les solutions athermalisées de façon classique, tout en ayant des performances d'imagerie similaires voire supérieures. / Imaging systems are now complex instruments where lens, sensor and digital processing interact strongly together. In order to obtain better imaging performance than conventional imaging, it has become necessary to take into account this interaction in the design stage and therefore to optimize jointly optical and digital parameters. The objective of my thesis is to develop joint optical-digital optimization methods in order to obtain imaging systems with higher performance and lower complexity. I first considered extending the depth of field of an already existing lens. A binary phase mask has been inserted in the vicinity of the aperture stop of a f/1.2 lens, and it has been optimized jointly with a deconvolution filter using the restored image quality criterion. The increase in depth of field has been quantified, and modulation transfer function measurements have proved experimentally the efficiency of this unconventional imaging system. During this first study only the phase mask was optimized. To further increase the imaging system efficiency, all the optical parameters need to be optimized. However, optical design is a complex problem in which specific constraints have to be taken into account and for which one needs to use a dedicated software. In this thesis I used the Code V optical design software. Since the image quality-based optimization cannot be easily implemented in this type of software, I proposed a new criterion. It is based on classical optical optimization criteria used in Code V that have been modified in order to take into account deconvolution in a implicit manner. This design method has been first validated on the optimization of a phase mask for depth of field extension of an already existing lens. Results were similar to those given by the image quality-based optimization. Then this method has been used to enhance a very fast f/0.75 lens: by modifying its optical parameters, the lens has been simplified, and the image quality has been homogenized over the field. Eventually I applied this joint design method to solve the important problem of thermal sensitivity of an 8-12 µm infrared system. By using this method I designed from scratch several types of short and long focal length athermalized lenses. The obtained lenses are simpler than conventionally athermalized ones while having similar or even higher imaging performance.

Depuis quelques années, les techniques d'imagerie de fluorescence font l'objet d'une attention particulière, celles-ci permettant d'étudier de manière non invasive un nombre important de processus cellulaires. En particulier, les techniques de fluorescence en rétrodiffusion (FRI pour Fluorescence Reflectance Imaging) présentent plusieurs avantages en termes de facilité de mise en oeuvre, de rapidité et de coût, mais elles sont aussi sujettes à des limites fortes : la pénétration des tissus reste relativement faible (quelques millimètres seulement), et il est impossible d'avoir une information quantitative du fait de la diffusion des photons. L'objectif de cette thèse a été de réduire les effets des signaux parasites afin d'améliorer les performances de la FRI aussi bien au niveau du contraste que de la résolution. Pour ce faire nous avons décidé d'utiliser de nouvelles techniques d'illumination et de détection. Contrairement aux systèmes classiques qui utilisent une illumination et une détection large champ, nous balayons l'objet d'étude avec une ligne laser, des images étant acquises à chaque position de la ligne. On a alors accès à une pile d'images contenant un nombre d'informations bien plus important que dans le cas classique. Trois axes ont été suivis pour l'exploitation de ces informations. Les méthodes développées ont été testées en simulation avec le logiciel NIRFAST et un algorithme de Monte-Carlo mais aussi expérimentalement. Les validations expérimentales ont été réalisées sur fantômes optiques et en in vivo sur petit animal en les comparant à une illumination uniforme plus classique. En améliorant à la fois le contraste et la résolution, ces différentes méthodes nous permettent d'obtenir de l'information exploitable plus loin en profondeur en réduisant les effets néfastes des signaux parasites et de la diffusion. / Intraoperative fluorescence imaging in reflectance geometry is an attractive imaging modality to noninvasively monitor fluorescence-targeted tumors. However, in some situations, this kind of imaging suffers from a lack of depth penetration and a poor resolution due to the diffusive nature of photons in tissue. The objective of the thesis was to tackle these limitations. Rather than using a wide-field illumination like usual systems, the technique developed relies on the scanning of the medium with a laser line illumination and the acquisition of images at each position of excitation. Several detection schemes are proposed to take advantage of the stack of images acquired to enhance the resolution and the contrast of the final image. These detection techniques were tested both in simulation with the NIRFAST software and a Monte-Carlo algorithm and experimentally. The experimental validation was performed on tissue-like phantoms and in vivo with a preliminary testing. The results are compared to those obtained with a classical wide-field illumination. As they enhance both the contrast and the resolution, these methods allow us to image deeper targets by reducing the negative effects of parasite signals and diffusion.

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.