Le projet CACAO - Caméra A Collimation Assistée par Ordinateur - a pour but d'améliorer la qualité des images scintigraphiques. Des collimateurs à trous plus larges et profonds sur les gamma caméras, ainsi qu'un mouvement de balayage supplémentaire dans le protocole d'acquisition permettraient d'améliorer à la fois la résolution spatiale et la sensibilité des caméras; mais cela implique l'utilisation de nouveaux algorithmes de reconstruction. Avant cette thèse, la reconstruction des images CACAO se basait sur un algorithme utilisant pour la déconvolution la transformée de Fourier rapide qui présente un avantage en terme de rapidité et a donné des résultats très intéressants. Cependant un travail basé sur la théorie de l'information nous fait penser qu'il est possible d'obtenir de meilleurs résultats. L'étape limitante du projet étant la déconvolution, le travail de thèse avait pour but d'étudier et d'améliorer cette étape avec de nouveaux algorithmes. Plusieurs algorithmes basés sur une déconvolution appelée minimale avec un traitement ligne par ligne de l'image et l'utilisation de programmation linéaire ont été développés et donnent de bons résultats dans plusieurs cas sur des données exactes. Nous avons ensuite appliqué cette idée au problème dans son ensemble, ce qui donne de bons résultats sur des données exactes et permet également de simplifier la reconstruction. Nous avons aussi effectué la dualisation de nos données qui permet de réduire le temps de calcul et de traiter de plus grandes images. Enfin, nous avons mis au point la déconvolution médiane qui se montre efficace pour des images bruitées.

Ce mémoire de thèse s'intéresse au comportement du béton sous chargement triaxial sévère, et plus précisément, aux mécanismes de dégradation associés. Le cadre plus général de cette étude est l'amélioration de la tenue des infrastructures soumises à des chargements dynamiques de type impact, pouvant générer des contraintes moyennes dans le béton de l'ordre du GPa. Des essais quasi-statiques sont nécessaires pour caractériser le comportement d'un matériau dans un état de contraintes homogènes. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent d'investiguer les mécanismes de dégradation du béton lors d'essais triaxiaux. Pour cela, deux machines innovantes sont utilisées : une presse triaxiale de grande capacité (Giga) et un tomographe à rayons X. Le processus de réalisation des essais consiste à scanner des échantillons de béton à l'état vierge et après chaque cycle de chargement (charge-décharge) effectué avec la presse triaxiale. Les images issues de ces examens tomographiques permettent d'évaluer la modification de la mésostructure du béton (échelle où les granulats et les macropores apparaissent) selon différents trajets et niveaux de chargement. Deux échantillons ont été testés triaxialement selon ce processus. Le premier, à relativement faible confinement (50 MPa), montre que les mécanismes menant à la rupture sont fortement localisés et principalement initiés à l'échelle microscopique. Le deuxième, testé à un très fort confinement (650 MPa), présente un endommagement diffus avec également un mécanisme de rupture localisé. Un modèle mésoscopique, utilisant la méthode aux éléments discrets, est également présenté dans ce manuscrit. L'originalité de cette approche réside d'une part dans le caractère prédictif du modèle développé, le comportement du mortier, des granulats ou de leur interaction étant identifié a priori ou à partir d'essais réalisés sur mortier et roche. D'autre part, la méthode de construction du maillage éléments discrets s'appuie sur la segmentation 3D d'images tomographiques ce qui permet une comparaison des faciès de ruptures expérimentaux et numériques. Ce modèle aboutit à une bonne prédiction du comportement triaxial du béton, et semble être un outil prometteur d'étude des mécanismes d'endommagement et de l'influence de paramètres de composition du béton.

Cette thèse propose une nouvelle méthode de détection, intermédiaire entre les deux méthodes existantes en OCT, qui sont: l'OCT dans le domaine temporel et l'OCT dans le domaine fréquentiel (FDOCT). La technique OCT que nous présentons est basée sur un réseau de diffraction. Elle fournit le profil de réflectivité en profondeur de l'échantillon analysé instantanément, sans effectuer de balayage mécanique dans le bras de référence de l'interféromètre ni de traitement numérique du signal réfléchi par l'échantillon. Une partie de cette thèse est dédiée à la description du principe de fonctionnement et à l'architecture du dispositif. En introduisant un balayage transversal dans le système, des images en deux dimensions et en trois dimensions de l'échantillon ont été réalisées. Nous décrivons par la suite comment nous accédons à l'information spectroscopique en profondeur de l'échantillon analysé, de façon optique et sans post-traitement grâce à la même technique. Pour cela, un système de démultiplexage en longueur d'onde est introduit dans le dispositif OCT qui devient ainsi un instrument de spectro-tomographie optique de cohérence. De cette façon, pour chaque point objet analysé, une image en deux dimensions est affichée en temps réel sur un détecteur plan. La direction horizontale correspond à la profondeur tandis que la direction verticale correspond à la décomposition spectrale de la trace de corrélation. Nous présentons le principe du système et montrons quelques résultats expérimentaux.

Afin d'améliorer la prédiction des lésions par les modèles virtuels de l'être humain, cette thèse propose d'étudier le comportement mécanique de l'os trabéculaire, en prenant en compte les hétérogénéités architecturales liées aux variabilités inter et intra-individuelles. Après acquisition par micro-tomographie (µCT) d'échantillons d'os trabéculaire, des essais mécaniques de compression en quasi-statique et en grandes déformations ont été menés. L'influence des variabilités inter et intra-individuelles a été étudiée afin de minimiser les dispersions usuellement rencontrées sur les réponses mécaniques. Des relations entre les principales propriétés mécaniques ont ainsi été identifiées à l'échelle mésoscopique. Une étude numérique, réalisée à partir des données tomographiques, a ensuite été menée afin de déterminer les principales propriétés architecturales des échantillons. Des relations significatives ont ainsi pu être déterminées. Des modèles Éléments Finis ont également été développés afin de contrôler rigoureusement les variabilités inter et intra-individuelles. Les résultats numériques et expérimentaux ainsi obtenus ont été confrontés, afin de caractéri-ser les effets architecturaux sur la réponse en compression de l'os trabéculaire. La cinématique de déformation a été étudiée afin d'améliorer notre compréhension du comportement de l'os trabéculaire. Un Volume Elémentaire Représentatif (VER) a également été identifié, validant l'étude expérimentale précédemment menée. Finalement, une relation originale a été mise en évidence, justifiant des varia-tions de modules apparents inter et intra-individuelles.

Dans une optique d'amélioration ou de construction de moteurs fusée dérivés du modèle Vulcain, ce projet propose une nouvelle géométrie d'injecteur permettant l'atomisation efficace d'une nappe annulaire liquide en un brouillard de gouttelettes, nécessaire à un rendement élevé de combustion de propergols. Les images de tomographie et de visualisations rapides ont permis de comprendre les mécanismes de rupture de la nappe liquide par un courant interne et/ou externe tandis que la phase diluée a été caractérisée par les techniques de Vélocimétrie par Images de Particules et d'Interférométrie par Phase Doppler. Plusieurs modes de rupture ont été identifiés dépendant principalement du rapport du flux de quantité de mouvement gaz/liquide et une étude fréquentielle a été réalisée sur les battements de la nappe. Le mode qui nous intéresse plus particulièrement, nommé « arbre de Noël », permet une atomisation primaire beaucoup plus efficace que celui d'un jet liquide assisté par une couronne annulaire de gaz mais aussi d'obtenir une granulométrie plus faible des gouttes produites. L'étude des différents paramètres : rapport des densités de flux de quantité de mouvement gaz/liquide, pression ambiante et rotation du gaz a montré que les deux premiers cités ont une influence très importante sur la granulométrie tandis que la longueur de rupture de la nappe dépend principalement du premier et du dernier. La rotation du gaz modifie fortement la forme du profil de vitesse en sortie d'injecteur et donc du spray généré par la suite. Elle permet également une fluctuation plus faible de la longueur de rupture de la nappe et surtout une bonne homogénéisation de la vitesse des gouttes. Bien que ce type d'atomisation soit déjà particulièrement efficace, l'ajout d'une couronne de gaz externe améliore nettement l'atomisation.

Nos travaux contribuent au développement de la tomographie ultrasonore en champ proche appliquée à l'imagerie du sein. La direction suivie est l'extension de l'échographie radiaire à la tomographie ductale. Dans ce but, l'analyse spectrale par ondes planes est étendue à l'analyse spectrale par ondes elliptiques. Pour celle-ci, les fonctions de décomposition sont des ondes harmoniques à supports ellipsoïdaux caractéristiques des senseurs bistatiques ponctuels, i.e. les doublets élémentaires utilisés de manière intensive par la tomographie en diffraction. Une adaptation de la transformée de Radon permet de bénéficier d'algorithmes performants à base de Transformée de Fourier Rapide (FFT). L'utilisation de protocoles d'acquisition (balayages) spécifiques permet de séparer les paramètres physiques caractérisant les tissus : l'impédance, la vitesse du son, la compressibilité. Des corrections des distorsions géométriques et des effets de la diffraction sont introduites. Le caractère « passe-bande » de la chaîne de mesure est en partie compensé par des procédures de déconvolution. Des simulations numériques ont permis de valider les approches proposées dans un contexte idéalisé (simulations 2D, absence de bruit d'environnement). Ont été développés, notamment, des fantômes de seins en situations saine et en situation pathologique ; les reconstructions tomographiques et échographiques sont comparées.

Les THTZ (réfractaires électrofondus à Très Haute Teneur en Zircone) sont des matériaux utilisés pour la construction de fours verriers. Ils sont composés d'un squelette dendritique de zircone imprégné de phase vitreuse. Cette étude, qui fait partie du programme national de recherche NOREV (Nouveaux REfractaires Verriers), financé par l'ANR (Agence Nationale pour la Recherche), vise à étudier les influences de la morphologie tridimensionnelle de la microstructure et des propriétés des phases sur le comportement mécanique du THTZ, en particulier pendant la transformation quadratique-monoclinique qui intervient lors du refroidissement post-coulée. Les microstructures 3D de différents matériaux ont été investiguées par tomographie X à l'ESRF (synchrotron de Grenoble). Les images 3D segmentées ont donné lieu à des analyses d'images permettant de caractériser la topologie microstructurale des matériaux, à travers de mesures de covariance, de tortuosité et de percolation. Une relation entre la vitesse d'attaque par l'acide fluorhydrique (HF) et la densité de surface du squelette de zircone a été identifiée. En segmentant le squelette de zircone par la méthode des bassins versants (watershed), nous avons pu comparer le niveau de connectivité du réseau de zircone des différents matériaux. Les résultats sont corrélés avec les calculs numériques de la rigidité microstructurale du squelette des matériaux. Après attaque acide et à haute température, un phénomène de flexibilité a été observé sur des éprouvettes minces et a pu être mis en relation avec la connectivité des matériaux. Les mesures de dilatation lors de cycles thermiques ont mis en évidence les effets induits par l'ajout d'yttrine. La phase vitreuse joue un rôle important pendant la transformation de quadratique à monoclinique, en limitant l'endommagement microstructural des matériaux. Le THTZ dopé par l'ajout de 7% d'yttrine présente des propriétés très différentes des autres matériaux : il est plus rigide et ne subit plus la transformation martensitique. Des calculs par éléments finis tridimensionnels, réalisées à partir de volumes élémentaires de la microstructure réelle, ont permis d'estimer l'influence des propriétés des phases constituantes, de leur morphologie et des conditions aux limites sur la contrainte interne responsable de l'endommagement microstructural.

A key non-destructive technique for analysis, optimization and developing of new functional materials such as sensors, transducers, electro-optical and memory devices is presented. The Thermal-Pulse Tomography (TPT) provides high-resolution three-dimensional images of electric field and polarization distribution in a material. This thermal technique use a pulsed heating by means of focused laser light which is absorbed by opaque electrodes. The diffusion of the heat causes changes in the sample geometry, generating a short-circuit current or change in surface potential, which contains information about the spatial distribution of electric dipoles or space charges. Afterwards, a reconstruction of the internal electric field and polarization distribution in the material is possible via Scale Transformation or Regularization methods. In this way, the TPT was used for the first time to image the inhomogeneous ferroelectric switching in polymer ferroelectric films (candidates to memory devices). The results shows the typical pinning of electric dipoles in the ferroelectric polymer under study and support the previous hypotheses of a ferroelectric reversal at a grain level via nucleation and growth. In order to obtain more information about the impact of the lateral and depth resolution of the thermal techniques, the TPT and its counterpart called Focused Laser Intensity Modulation Method (FLIMM) were implemented in ferroelectric films with grid-shaped electrodes. The results from both techniques, after the data analysis with different regularization and scale methods, are in total agreement. It was also revealed a possible overestimated lateral resolution of the FLIMM and highlights the TPT method as the most efficient and reliable thermal technique. After an improvement in the optics, the Thermal-Pulse Tomography method was implemented in polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) films, which are used in electro-optical applications. The results indicated a possible electrostatic interaction between the COH group in the liquid crystals and the fluorinate atoms of the used ferroelectric matrix. The geometrical parameters of the LC droplets were partially reproduced as they were compared with Scanning Electron Microscopy (SEM) images. For further applications, it is suggested the use of a non-strong-ferroelectric polymer matrix. In an effort to develop new polymerferroelectrets and for optimizing their properties, new multilayer systems were inspected. The results of the TPT method showed the non-uniformity of the internal electric-field distribution in the shaped-macrodipoles and thus suggested the instability of the sample. Further investigation on multilayers ferroelectrets was suggested and the implementation of less conductive polymers layers too. / In dieser Arbeit wird eine zerstörungsfreie Technik zur Analyse, Optimierung, und Entwicklung neuer funktioneller Materialien für Sensoren, Wandler, Speicher und elektrooptische Anwendungen vorgestellt. Die Wärmepuls-Tomographie (engl. Thermal-Pulse Tomography, TPT) liefert dreidimensionale Abbildungen hoher Auflösung von elektrischen Feldern und Polarisationsverteilungen eines Materials. Bei dieser thermischen Methode wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl durch eine undurchsichtige Oberflächenelektrode absorbiert, welche sich dadurch aufheizt. Die einsetzende Wärmediffusion führt – aufgrund der Wärmeausdehnung des Materials – zu Änderungen der Probengeometrie, welche in pyroelektrischen Materialien einen Kurzschlussstrom oder eine Änderung des Oberflächenpotentials zur Folge hat. Diese wiederum enthalten wichtige Informationen über die räumliche Verteilung elektrischer Dipole und Raumladungen im untersuchten Material. Aus dem gemessenen Kurzsschlussstrom kann anschließend das interne elektrische Feld und die Polarisationsverteilung im Material mittels verschiedener Skalentransformations- und Regularisierungsmethoden rekonstruiert werden. Auf diese Weise ermöglichte die TPT-Methode erstmals die Darstellung inhomogener ferroelektrischer Schaltvorgänge in polymeren ferroelektrischen Filmen, welche mögliche Materialien für die Datenspeicherung sind. Die Ergebnisse zeigen eine typische Haftschicht im ferroelektrischen Polymer und unterstützen die Hypothese einer ferroelektrischen Umpolung auf einer der Korngröße äquivalenten Längenskala über Keimbildung und anschließendes Wachstum. Um die Lateral- und Tiefenauflösung zu untersuchen, wurden sowohl die TPT-Methode als auch die äquivalente Methode in der Zeitdomäne (Focused Laser Intensity Modulation Method, FLIMM) auf ferroelektrischen Filme mit Gitterelektroden angewendet. Die Ergebnisse beider Techniken zeigen nach der Datenauswertung mit unterschiedlichen Regularisierungs- und Scale-Methoden eine vollkommene Übereinstimmung. Des Weiteren stellte sich heraus, dass bisherige Untersuchungen der lateralen Auflösung von FLIMM diese möglicherweise überschätzen. Damit behauptet sich TPT als effiziente und verlässliche thermische Methode. Nach einer Optimierung der Optik wurde die TPT-Methode in polymerdispergierten Flüssigkristallen (polymer-dispersed liquid crystals, PDLC), welche in elektrooptischen Anwendungen von Interesse sind, angewendet. Die Ergebnisse deuten auf eine mögliche elektrostatischeWechselwirkung zwischen den COH-Gruppen des Flüssigkristalls und den Fluoratomen der verwendeten ferroelektrischen Matrix hin. Die durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (scanning electron microscopy, SEM) gewonnenen geometrischen Parameter der Flüssigkristalltröpfchen konnten mittels TPT reproduziert werden. Für weitere Anwendungen werden schwach ferroelektrische Polymermatrices vorgeschlagen. Im Bestreben neue polymere Ferroelektrete zu entwickeln und deren Eigenschaften zu optimieren, wurden neuartige Mehrschichtsysteme untersucht. Die Ergebnisse aus der TPT-Methode zeigen eine Abweichung der Uniformität der inneren Verteilung des elektrischen Feldes in den geformten Makrodipolen, was auf eine Instabilität der Probe hindeutet. Ebenfalls wurden weitere Untersuchungen an Mehrschicht-Ferroelektreten und die Anwendung von halbleitenden Polymerschichten vorgeschlagen.

La tomographie optique cohérente (OCT) est maintenant une technique établie permettant de visualiser la morphologie interne de l'œil. L'objectif est maintenant d'atteindre des résultats similaires dans des tissus fortement diffusants. Une limite des études précédentes en OCT s'avère être sa faible résolution en comparaison des techniques d'histologie traditionnelle. La tomographie optique cohérente plein-champ (FFOCT), une variante de l'OCT également basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente, produit des images à l'échelle du micron sur un large champ de vue au moyen d'une simple camera et d'une lampe halogène. Dans ces travaux, un système FFOCT a été testé en conditions cliniques afin d'examiner de larges lésions mammaires, jusqu'à 1 cm², ainsi que des biopsies. Un ensemble de critères diagnostiques ont pu être identifiés pour différencier tissus bénins de malins, avec de premiers résultats encourageants; toutefois une amélioration du contraste endogène s'avère nécessaire. Une méthodologie exploitant les différences d'atténuation s'est montré limitée par une forte hétérogénéité des tissus sur une profondeur de quelques microns. En outre, la profondeur de pénétration de la technique a été améliorée au moyen d'un système opérant dans l'infrarouge et d'une huile de silicone en tant que liquide d'immersion. Finalement, l'imagerie tridimensionnelle in-vivo a pu être démontrée pendant les 4 jours de la métamorphose d'une Drosophile melanogaster. Le dispositif a pu suivre la croissance de chaque organe sur près de 80 µm avec une résolution isotrope à l'échelle du micron ouvrant ainsi des perspectives d'applications en biologie du développement.

La connaissance des matériaux de l'art participe à la conservation et à la restauration des oeuvres du patrimoine. A cette fin la tomographie par cohérence optique (OCT), technique d'imagerie interférentielle développée initialement pour l'étude des tissus biologiques, a été détournée ici de son application première pour l'étude des pigments des couches picturales en utilisant l'extension récente de l'OCT à la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Nous disposons d'un dispositif OCT plein champ fonctionnant dans le domaine temporel, utilisant un objectif de Mirau et une source émettant dans le domaine du visible. Le système introduit des effets d'ouverture conduisant à décaler les spectres vers les grandes longueurs d'onde. Après avoir défini un protocole nous permettant de corriger ces effets, nous avons validé avec succès la mesure de réflectivité d'échantillons d'or plans. Les particules de pigments sont des particules diffusantes et absorbantes de forme et de taille aléatoires de l'ordre du micromètre. A partir du cas sphérique nous avons établi théoriquement et expérimentalement que la mesure spectrale par OCT dépend des caractéristiques morphologiques de chaque particule analysée. La dispersion des mesures au sein d'un échantillon rend alors impossible la distinction de deux particules de matériaux différents. Cependant, le calcul de la moyenne sur un grand nombre de particules de même type permet de discriminer deux couches juxtaposées ou superposées, ce qui a été vérifié expérimentalement sur pigments jaunes et rouges. En couplant l'analyse spectroscopique à l'imagerie, on améliore ainsi la caractérisation d'un échantillon