L'imagerie plénoptique est souvent présentée comme une révolution par rapport à l'imagerie standard. En effet, elle apporte plus de contrôle à l'utilisateur sur l'image finale puisque les dimensions spatiales et angulaires du champ de lumière offrent la possibilité de changer le point de vue ou de refaire la mise au point après coup ainsi que de calculer la carte de profondeur de la scène. Cependant, cela complique le travail du concepteur optique du système pour deux raisons. La première est qu'il existe une multitude d'appareils de capture plénoptique différents, chacun avec sa propre spécificité. La deuxième est qu'il n'existe pas de modèle qui relie le design de la caméra à ses propriétés optiques d'acquisition et qui puisse guider le concepteur dans sa tâche. Cette thèse répond à ces observations en proposant un modèle optique du premier ordre pour représenter n'importe quel appareil d'acquisition plénoptique. Ce modèle abstrait une caméra plénoptique par un réseau équivalent de caméras virtuelles existant en espace objet et qui effectue un échantillonnage identique de la scène. Ce modèle est utilisé pour étudier et comparer plusieurs caméras plénoptiques ainsi qu'un microscope plénoptique monté en laboratoire, ce qui révèle des lignes directrices pour la conception de systèmes plénoptiques. Les simulations du modèle sont aussi validées par l'expérimentation avec une caméra et le microscope plénoptique. / Light field imaging is often presented as a revolution of standard imaging. Indeed, it does bring more control to the user over the final image as the spatio-angular dimensions of the light field offer the possibility to change the viewpoint and refocus after the shot and compute the scene depth map.However, it complicates the work of the optical designer of the system for two reasons. The first is that there exist a multitude of different light field acquisition devices, each with its own specific design. The second is that there is no model that relates the camera design to its optical properties of acquisition and that would guide the designer in his task. This thesis addresses these observations by proposing a first-order optical model to represent any light field acquisition device. This model abstracts a light field camera as en equivalent array of virtual cameras that exists in object space and that performs the same sampling of the scene. The model is used to study and compare several light field cameras as well as a light field microscope setup which reveals guidelines for the conception of light field optical systems. The simulations of the model are also validated through experimentation with a light field camera and a light field microscope that was constructed in our laboratory.

La réalité augmentée consiste à superposer à l’environnement réel des informations virtuelles générées numériquement. Parmi les systèmes qui permettent de réaliser un tel mélange, nous nous intéressons dans ce travail aux systèmes de visualisation en réalité augmentée liés à la tête de l’utilisateur, généralement appelés HMD (Head-Mounted Display). Dans un tel système, la superposition des informations virtuelles à l’environnement réel peut être réalisée par un élément optique (optique mélangeuse) positionné devant l’oeil de l’utilisateur. La conception d’un système HMD est cependant une tâche complexe. En effet, la proximité de la tête introduit des contraintes géométriques importantes et provoque des déformations (aberrations) des images virtuelles. Généralement, ces aberrations sont minimisées de façon simultanée sur l’ensemble du champ de vision de l’utilisateur. Cette optimisation du système se fait néanmoins soit au détriment de la compacité ce qui s’avère problématique pour le confort d’utilisation du HMD, soit au détriment de la qualité de l’image au centre du champ de vision. Nous proposons dans ce travail ce qui nous semble être une nouvelle approche de conception en associant un modulateur spatial de lumière (SLM) et une optique mélangeuse diffractive statique. L’image virtuelle est créée séquentiellement point par point en modifiant l’incidence sous laquelle on éclaire l’optique mélangeuse. Le SLM permet d’adapter dynamiquement la correction des aberrations associées à chaque point virtuel. Nous avons dans un premier temps défini la fonction optique de l’optique mélangeuse diffractive et le champ de vision maximal (18° x 18°) qu’il est possible d’atteindre en respectant les contraintes géométriques d’utilisation. Nous avons pu alors montrer théoriquement que l’approche proposée permet d’atteindre une qualité d’image optimale sur l’ensemble du champ de vision. Les fonctions de correction sont réalisables avec les technologies actuelles. La validation expérimentale de ces résultats a été réalisée. / Augmented reality (AR) supplements the real world with computer-generated objects that appear to coexist in the same space as the real world. Among the systems that achieve such a mixture, we focus in this work on augmented reality head mounted displays (HMD). In such a system, the superimposition of virtual information to the real environment can be achieved by a combiner. This combiner is an optical element positioned in front of the eye of the user. It is a complex challenge to design an HMD. They generally have off-axis configurations because of the proximity of the head of the user. The optical system therefore suffers for high geometrical aberrations as Gauss conditions are not respected. Usually, these aberrations are minimized simultaneously on the entire field of vision of the user. However, such a simultaneous approach implies either a loss of compactness or a loss of the quality of the image. We propose in this work a novel design for an augmented reality HMD. We studied an optical system associating a dynamic element (spatial light modulator) and a static diffractive combiner. The virtual image is created sequentially point by point by illuminating the diffractive combiner with different incidences. The SLM allows to adapt, in a dynamical way, the correction of the aberrations associated to each position of the virtual point. We initially defined the phase transfer function of the diffractive combiner. We showed that it is possible to reach a 18° by 18° field of view considering the geometrical constraints. Then, we proved theoretically that the proposed approach can achieve an optimal image quality over the entire field of view. We demonstrated that it is possible to realize the correction functions with current technologies. The experimental validation of the results was performed.

Les masques de phase sont des dispositifs réfractifs situés généralement au niveau de la pupille d’un système optique pour en modifier la réponse impulsionnelle (PSF en anglais), par une technique habituellement connue sous le nom de codage de front d’onde. Ces masques peuvent être utilisés pour augmenter la profondeur du champ (DoF en anglais) des systèmes d’imagerie sans diminuer la quantité de lumière qui entre dans le système, en produisant une PSF ayant une plus grande invariance à la défocalisation. Cependant, plus le DoF est grand plus l’image acquise est floue et une opération de déconvolution doit alors lui être appliquée. Par conséquent, la conception des masques de phase doit prendre en compte ce traitement pour atteindre le compromis optimal entre invariance de la PSF à la défocalisation et qualité de la déconvolution.. Cette approche de conception conjointe a été introduite par Cathey et Dowski en 1995 et affinée en 2002 pour des masques de phase continus puis généralisée par Robinson et Stork en 2007 pour la correction d’autres aberrations optiques.Dans cette thèse sont abordés les différents aspects de l’optimisation des masques de phase pour l’augmentation du DoF, tels que les critères de performance et la relation entre ces critères et les paramètres des masques. On utilise la « qualité d’image » (IQ en anglais), une méthode basée sur l’écart quadratique moyen définie par Diaz et al., pour la co-conception des divers masques de phase et pour évaluer leur performance. Nous évaluons ensuite la pertinence de ce critère IQ en comparaison d’autres métriques de conception optique, comme par exemple le rapport de Strehl ou la fonction de transfert de modulation (MTF en anglais). Nous nous concentrons en particulier sur les masques de phase annulaires binaires, l’étude de leur performance pour différents cas comme l’augmentation du DoF, la présence d’aberrations ou l’impact du nombre de paramètres d’optimisation.Nous appliquons ensuite les outils d’analyse exploités pour les masques binaires aux masques de phase continus qui apparaissent communément dans la littérature, comme les masques de phase polynomiaux. Nous avons comparé de manière approfondie ces masques entre eux et aux masques binaires, non seulement pour évaluer leurs avantages, mais aussi parce qu’en analysant leurs différences il est possible de comprendre leurs propriétésLes masques de phase fonctionnent comme des filtres passe-bas sur des systèmes limités par la diffraction, réduisant en pratique les phénomènes de repliement spectral. D’un autre côté, la technique de reconstruction connue sous l’appellation de « superresolution » utilise des images d’une même scène perturbées par du repliement de spectre pour augmenter la résolution du système optique original. Les travaux réalisés durant une période de détachement chez le partenaire industriel de la thèse, KLA-Tencor à Louvain, Belgique, illustrent le propos. A la fin du manuscrit nous étudions la pertinence de la combinaison de cette technique avec l’utilisation de masques de phase pour l’augmentation du DoF. / Phase masks are wavefront encoding devices typically situated at the aperture stop of an optical system to engineer its point spread function (PSF) in a technique commonly known as wavefront coding. These masks can be used to extend the depth of field (DoF) of imaging systems without reducing the light throughput by producing a PSF that becomes more invariant to defocus; however, the larger the DoF the more blurred the acquired raw image so that deconvolution has to be applied on the captured images. Thus, the design of the phase masks has to take into account image processing in order to reach the optimal compromise between invariance of PSF to defocus and capacity to deconvolve the image. This joint design approach has been introduced by Cathey and Dowski in 1995 and refined in 2002 for continuous-phase DoF enhancing masks and generalized by Robinson and Stork in 2007 to correct other optical aberrations.In this thesis we study the different aspects of phase mask optimization for DoF extension, such as the different performance criteria and the relation of these criteria with the different mask parameters. We use the so-called image quality (IQ), a mean-square error based criterion defined by Diaz et al., to co-design different phase masks and evaluate their performance. We then compare the relevance of the IQ criterion against other optical design metrics, such as the Strehl ratio, the modulation transfer function (MTF) and others. We focus in particular on the binary annular phase masks, their performance for various conditions, such as the desired DoF range, the number of optimization parameters, presence of aberrations and others.We use then the analysis tools used for the binary phase masks for continuous-phase masks that appear commonly in the literature, such as the polynomial-phase masks. We extensively compare these masks to each other and the binary masks, not only to assess their benefits, but also because by analyzing their differences we can understand their properties.Phase masks function as a low-pass filter on diffraction limited systems, effectively reducing aliasing. On the other hand, the signal processing technique known as superresolution uses several aliased frames of the same scene to enhance the resolution of the final image beyond the sampling resolution of the original optical system. Practical examples come from the works made during a secondment with the industrial partner KLA-Tencor in Leuven, Belgium. At the end of the manuscript we study the relevance of using such a technique alongside phase masks for DoF extension.

La thèse porte sur un nouveau concept pour les afficheurs de réalité augmentée placés près de l’œil, notamment pour améliorer les champs de vision. Deux guides d'ondes sont empilés avec un petit espace d'air entre eux. La lumière couplée dans le premier guide d'ondes par le coupleur d’entrée se propage par réflexion interne totale jusqu'à atteindre un miroir cylindrique à l'extrémité du guide. Puis, la lumière réfléchie est couplée dans le second guide d'ondes avant d'atteindre le coupleur de sortie. Un système similaire basé sur des micro-prismes est aussi décrit. Les conceptions ont été simulées avec le logiciel Zemax. Les champs de vision horizontal et vertical obtenus sont respectivement de 30° et 60°. La Fonction de Transfert de Modulation pour tous les champs objets est supérieure à 30% pour 33 npl/mm, ce qui est suffisant pour un système visuel. De plus, un grand volume de déplacement admissible pour l’œil (Eye-box) d'environ 10×8 mm a été obtenu. / We propose a new concept to improve notably the fields-of-view (FOV) of the near to eye displays (NEDs) for augmented reality. Two waveguides are stacked with a small air gap between them. The light coupled in the first waveguide by the in-coupler propagates by total internal reflection until it reaches a cylindrical mirror at the end of the guide. Then, the reflected light is coupled in the second waveguide before to reach the out-coupler. A similar system based on micro-prisms is also described. The designs were simulated with Zemax software. The obtained horizontal and vertical FOV are respectively 30° and 60°. The Modulation Transfer Function for all object fields is greater than 30% for 33 npl/mm, which is sufficient for a visual system. In addition, a large Eye-box of approximately 10 × 8 mm was obtained.

Dans cette thèse, nous avons étudié la conception, le prototypage et la caractérisation de microsystèmes photovoltaïques à concentration à base de cellules solaires Cu(In,Ga)Se2. L'objectif est de réduire l'utilisation de matériaux rares en utilisant la concentration de la lumière, et bénéficier des effets de la miniaturisation, comme la dissipation de la chaleur et des pertes résistives inférieurs. Tout d'abord, la conception optique des systèmes à concentration sur la base des microlentilles sphériques est présentée. À l'aide d'un logiciel de tracés de rayon Zemax OpticStudio, nous avons évalué la meilleure combinaison d'éléments, l'épaisseur et les rayons de courbure des lentilles, ainsi que les tolérances de fabrication et de positionnement du système. Un système optique de 1 mm d'épaisseur avec un rapport géométrique de 100 et une tolérance angulaire de +/- 3,5 ° a été conçu. D'autre part, des procédés de fabrication ont été créés et optimisés pour fabriquer un prototype de 5x5 cm² avec 2500 microcellules. Le meilleur mini-module a montré un facteur de concentration de 72x avec une augmentation en valeur absolue de l'efficacité de + 1,6%. Ensuite, des études numériques et expérimentales ont été réalisées sur des systèmes basés sur des concentrateurs luminescents (LSC) et des concentrateurs paraboliques (CPC). Les LSC ont montré un facteur de concentration faible et souffraient de problèmes de répétabilité tandis que les CPC sont une solution très efficace, mais très difficile à fabriquer à l¿échelle du micron. Enfin, nous avons développé un code MATLAB pour estimer l'énergie produite des systèmes conçus, pour évaluer la pertinence des choix technologiques futurs. / In this thesis, we studied the design, prototyping and characterization of micro-concentrated photovoltaic systems based on Cu(In,Ga)Se2 solar cells. The objective is to reduce the use of rare materials using the concentration of light, and benefit from the effect of miniaturization such as heat dissipation and lower resistive losses. First, the optical design of 1D and 2D concentrating systems based on spherical microlenses is presented. Using a ray-tracing software Zemax OpticStudio, we evaluated the best combination of elements, thickness and radii of curvature of the lenses, as well as the tolerances of fabrication and positioning of the system. An optical system of 1 mm thickness with a geometrical ratio of 100 and an angular tolerance of +/- 3.5° has been designed. Second, fabrication processes have been created and optimized to fabricate a 5x5 cm² prototypes with 2500 microcells. The best mini-module showed a concentration factor of 72x with an absolute increase of the efficiency of +1.6%. Third, numerical and experimental studies have been performed on concentrating systems based on Luminescent Solar Concentrators (LSC) and Compound Parabolic Concentrators (CPC). The LSC showed a low concentration factor and suffered from repeatability issues while the CPC is a very efficient solution but its specific geometry makes it difficult to fabricate at the micron scale. Finally, we developed a MATLAB code to estimate the producible energy of the designed systems, in order to evaluate the relevance of future technological choices that will be made.

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.

La réalité augmentée consiste à superposer à l'environnement réel des informations virtuelles générées numériquement. Parmi les systèmes qui permettent de réaliser un tel mélange, nous nous intéressons dans ce travail aux systèmes de visualisation en réalité augmentée liés à la tête de l'utilisateur, généralement appelés HMD (Head-Mounted Display). Dans un tel système, la superposition des informations virtuelles à l'environnement réel peut être réalisée par un élément optique (optique mélangeuse) positionné devant l'oeil de l'utilisateur. La conception d'un système HMD est cependant une tâche complexe. En effet, la proximité de la tête introduit des contraintes géométriques importantes et provoque des déformations (aberrations) des images virtuelles. Généralement, ces aberrations sont minimisées de façon simultanée sur l'ensemble du champ de vision de l'utilisateur. Cette optimisation du système se fait néanmoins soit au détriment de la compacité ce qui s'avère problématique pour le confort d'utilisation du HMD, soit au détriment de la qualité de l'image au centre du champ de vision. Nous proposons dans ce travail ce qui nous semble être une nouvelle approche de conception en associant un modulateur spatial de lumière (SLM) et une optique mélangeuse diffractive statique. L'image virtuelle est créée séquentiellement point par point en modifiant l'incidence sous laquelle on éclaire l'optique mélangeuse. Le SLM permet d'adapter dynamiquement la correction des aberrations associées à chaque point virtuel. Nous avons dans un premier temps défini la fonction optique de l'optique mélangeuse diffractive et le champ de vision maximal (18° x 18°) qu'il est possible d'atteindre en respectant les contraintes géométriques d'utilisation. Nous avons pu alors montrer théoriquement que l'approche proposée permet d'atteindre une qualité d'image optimale sur l'ensemble du champ de vision. Les fonctions de correction sont réalisables avec les technologies actuelles. La validation expérimentale de ces résultats a été réalisée.

Actuellement, un intense travail de recherche a lieu dans le domaine de la conception optique, tant au niveau industriel qu'académique. Cette thèse de doctorat s'incrit dans ce contexte général en abordant l'extension et l'utilisation de programmes commerciaux de conception optique dans de nouvelles branches de l'ingénierie optique, incluant l'optique intégrée, la mise en forme de faisceau et les sytèmes optiques hybrides diffractifs/conventionnels. Afin de modéliser ces nouveaux systèmes, j'ai développé de nouvelles techniques permettant de rendre leur analyse et leur conception plus "puissantes" que par les méthodes précédemment en usage, par la précision, la rapidité de calcul, la convivialité ou les degrés de liberté à la disposition du concepteur. Ces travaux ont parfois nécéssité la mise en place de nouvelles descriptions des phénomènes physiques mis en jeu, mais ils ont sutout été axés sur la recherche d'une mise en oeuvre efficace (usuellement basée sur le tracé exact de rayons) d'approches déjà connues...

Cette thèse traite des caméras light-field en tant que caméra ayant des capacités 3D. Les images brutes, acquises avec ces systèmes, sont généralement inexploitables directement. L’obstacle majeur concernant l'utilisation de ces caméras réside dans la complexité du traitement des images acquises. Cette thèse vise à dépasser ces limitations en s'intéressant aux dispositifs multi-vues et multi-caméras. De plus, comme l'un des domaines d'application envisagé est la vision industrielle, les images sont acquises en lumière naturelle afin de conserver la possibilité d'effectuer des traitements conventionnels par vision sur les images. Le travail de thèse repose sur trois axes : l'étude et la conception optique de systèmes light-field multi-caméras et multi-vues, le calibrage de ces dispositifs et le développement d’algorithmes et enfin leur mise en application pour montrer les intérêts de ces caméras dans divers domaines. / This thesis deals with light-field cameras as cameras having 3D capacities. The raw images. acquired with these systems, are generally unusable directly. The main obstacle about their use lies in the complex processing of the recorded images. This thesis aims to overcome these limitations by focusing on multi-views and multi-camera devices. Morcover, as one of the application domains is the industrial vision, the images are acquired in natural lightning in order to conserve the possibility to make conventional treatments by vision on the images. The work is based on three axis: the study and'the optical desien of light-field systems, the calibration of these devices and the development of algorithms to show the intercsts of these cameras in various fields.