Le sujet de cette thèse est la caractérisation dynamique d’une surface générée par plusieurs actionneurs d’un miroir ferrofluidique intégré dans un montage d’optique adaptative.Elle conclut un projet de doctorat au sein du groupe Borra s’étant échelonné sur 4 années. Un bref portrait général de l’optique adaptative est d’abord présenté, suivi d’une section sur la théorie du contrôle. Les types de contrôleurs y sont abordés, soit PID et surcharge. L’effet de la viscosité sur la réponse dynamique du système, ainsi que les analyseurs de front d’onde utilisés sont ensuite expliqués. La section résultats est subdivisée en plusieurs sous-sections ordonnées de façon chronologique. Dans un premier temps, il est question des résultats obtenus dans le cadre d’une caractérisation d’un nouveau miroir de 91 actionneurs fabriqué au sein du groupe. Il est ensuite question des résultats obtenus avec diverses techniques telles le PSD et l’imagerie déclenchée. Il y aura toute une section sur les résultats en vitesse, en fonction de la viscosité du liquide, suivie d’une section sur les simulations réalisées avec Simulink afin de bien cibler les limites du système. Les résultats portant sur la technique de surcharge des actionneurs seront ensuite présentés avec des projections futures. La dernière partie de cette thèse portera sur une innovation apportée par un autre membre du groupe. Nous parlerons de la déposition d’une membrane élastomère réfléchissante et de ses effets sur la dynamique du système. / The subject of this thesis is the dynamic characterization of a surface generated by a ferrofluidic mirror integrated in an adaptive optics bench. It ends a PhD project within the Borra group that has been carried out for the past 4 years. At first there’s going to be a brief overview of adaptive optics in general, followed by a section on control theory. Controller types are discussed, PID and overdrive. The effect of viscosity on the dynamic response of the system is then explained followed by a section on wavefront analysers used. The results section is divided into several sub-sections ordered chronologically. At first, the results obtained through a characterization of a new mirror made of 91 actuators manufactured within the group are discussed. The results with various techniques such as PSD and triggered imaging are explained. There will be a whole section on the speed results depending on the viscosity of the liquid, followed by a section on simulation done with Simulink in order to target the system boundaries. The results bearing on the overdrive controller will then be presented with future projections. The last part will focus on an innovation brought by another group member. We will discuss the deposition of a reflective elastomeric membrane and its effects on system dynamics.

Les miroirs déformables ont de nombreuses applications dans le domaine des nouvelles technologies, principalement en ce qui concerne la photonique, l'ophtalmologie et l'astronomie. Le type de miroir déformable utilisé présentement pour ces applications présente certaines limites de tailles de la surface réfléchissante et d'amplitude de déformation. Nos travaux de recherche portent sur le développement d'un nouveau type de miroir liquide. L'approche proposée implique le dépôt d'un film souple et réfléchissant (le MELLF) à la surface d'un fluide déformable par un champ magnétique externe (ferrofluide). ce qui pourrait constituer un progrès important dans l'élaboration d'un nouveau type de miroir adaptatif. Un ferrofluide pour un tel système doit posséder certaines propriétés: une bonne susceptibilité magnétique, un faible taux d'évaporation, une stabilité de la suspension des particules et une compatibilité physico-chimique avec le film réfléchissant. Lesliquides magnétiques disponibles commercialement sont très dispendieux et ne rencontrent pas les exigences permettant la déposition d'un film réfléchissant à leurinterface air-liquide. Ce travail porte sur les travaux réalisés pour permettre l'élaboration et lacaractérisation d'un nouveau ferrofluide qui s'avère prometteur dans la réalisation d'unnouveau type de miroir déformable.

L'utilisation d'un miroir liquide déformable à base de ferrofluide est l'une des nouvelles applications en optique adaptative. Ce miroir liquide déformable possède l'avantage, en comparaison du miroir solide déformable, de générer un faible coût de production des actionneurs ainsi qu'une grande amplitude de déformation de la surface du miroir. Ce mémoire est dédié à l'étude de la miniaturisation des actionneurs composant le miroir déformable. Ainsi, au sein d'un système d'optique adaptatif actuel muni d'un miroir déformable liquide à base de ferrofluide, des bobines de 5 mm de diamètre sont utilisées en tant qu'actionneurs afin de créer un champ magnétique qui déforme la surface du ferrofluide. La miniaturisation des actionneurs doit permettre l'amélioration de la finesse des déformations, la diminution de l'espace occupé par le système optique ainsi que la baisse des coûts de production. Pour se faire, une diminution de la largeur à demi-hauteur des déformations gaussiennes à la surface du liquide est requise afin de créer différents systèmes d'actionneurs de diamètres inférieurs à 5 mm. En premier lieu, la technologie des bobines électriques est privilégiée. Ainsi, un système de bobines de 2,5 mm de diamètre est étudié où l'importance du coeur magnétique de la bobine apparaît. Afin de diminuer la largeur à demi-hauteur de la déformation, un système d'immersion est mis en place avec une bobine de 1,5 mm de diamètre. La limite physique de la technologie des bobines électriques est alors atteinte. Afin d'outrepasser cette limite, un système de boucle de courant entouré d'un champ magnétique permanent permet d'obtenir des actionneurs de 1,2 mm de diamètre. En conclusion, l'avenir des actionneurs du miroir déformable liquide devrait avoir comme point d'appui la technologie des MEMS avec des actionneurs de 400 ptm.

L'optique adaptative est une technique consistant à faire réfléchir un front d'onde perturbé à la surface d'un miroir déformable afin de le corriger. La surface d'un ferrofluide est déformable par un champ magnétique permettant son utilisation dans un dispositif d'optique adaptative. Les MeLLFs, constitués d'un film de nanoparticules d'argent à l'interface air-eau stabilisées par un ligand dithiocarbamate sont utilisés pour augmenter la réflectivité des dispositifs. Dans ce projet de maitrise, plusieurs techniques ont été utilisées pour comprendre quels paramètres rendent les MeLLFs plus réfléchissants. Ainsi, des analyses Uv-Visible ont été utilisées pour la détermination de la réflectivité et de l'opacité des MeLLFs. La spectroscopie Raman a été utilisée pour caractériser la fonctionnalisation des nanoparticules par les ligands. Finalement, la microscopie électronique en transmission (MET) a été utilisée pour déterminer la taille des particules et la densité de particules à la surface.

Le concept de miroir déformable à base de liquide magnétique (ferrofluide) a énormément contribué à la technologie des miroirs déformables. Les miroirs déformables à ferrofluide (MDFs) permettent des déformations qui peuvent varier de quelques nanometres jusqu'à quelques millimètres, ce qui est largement supérieur à ce que les miroirs déformables commerciaux peuvent produire. Toutefois, un inconvénient majeur de ces MDFs est leur réponse non linéaire. Une nouvelle technique qui permet de surmonter ce problème est de superposer un champ magnétique constant et uniforme au champ magnétique produit par les action-neurs. Nous avons fabriqué un MDF à 91 actionneurs qui utilise cette nouvelle technique de linéarisation. Les performances obtenues sont comparables à celles des miroirs déformables disponibles commercialement. Les premiers 36 polynômes de Zernikes ont été produits en utilisant ce miroir et, basés sur nos mesures, nous prévoyons des amplitude maximales sur le front d'onde qui peuvent atteindre plus de 70 [mu]m. La combinaison linéaire de polynômes de Zernike, la reproductibilité au fil du temps, ainsi que l'application de ce MDF à compenser les aberrations de l'oeil humain est présentée.

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Les axicons ont mené à de nombreux articles dans la littérature depuis l'invention de ce terme. Toutefois, ce n'est que récemment que les axicons coniques sont devenus populaires et fréquemment utilisés en laboratoire. Ces éléments, le plus souvent de profil conique, sont généralement fabriqués en verre, ce qui rend impossible de varier l'angle du cône, paramètre le plus critique dans la formation du faisceau de Bessel. Gagner ce degré de liberté permettrait de varier la taille et la longueur du faisceau de Bessel dynamiquement. Cela ouvrirait la porte à de nouvelles applications et permettrait de faire plusieurs expériences en n'achetant qu'un seul axicon. Le miroir déformable ferrofluidique sur lequel notre groupe de recherche travaille depuis plusieurs années pourrait générer un tel axicon en réflexion. Contrairement aux autres miroirs déformables sur le marché, ce miroir atteint de grandes amplitudes de déformations et ne génère pas d'hystérésis, ce qui explique pourquoi les miroirs déformables conventionnels n'ont pas déjà conduit à un axicon déformable satisfaisant. Ce mémoire détaille un peu de théorie utile, mais surtout les simulations et les expériences qui ont mené au résultat final. Nous avons produit un axicon conique en réflexion dont l'angle varie de 0.004 à 0.157 degré. Il est donc possible de faire un axicon dont l'angle varie linéairement et de façon continue en utilisant un miroir déformable ferrofluidique. Des travaux futurs pourront agrandir la plage d'angles atteinte par le miroir et peut-être produire d'autres formes d'axicon variable comme des axicons elliptiques ou logarithmiques.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'utilisation des modèles déformables surfaciques pour la segmentation d'images 3D et 4D. Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à contraindre l'espace des déformations admissibles du modèle afin de rendre le processus de déformation plus fiable. Nous avons utilisé le formalisme des maillages simplexes pour exprimer des contraintes régularisantes de la surface. Nous avons développé un processus évolutif de déformation combinant une transformation globale ayant peu de degrés de liberté et un champ de déformations locales. Il permet de contrôler le nombre de degrés de liberté offerts au modèle surfacique de manière simple et efficace. Nous avons également cherché à enrichir la connaissance a priori des données apportée par le modèle. Nous utilisons des contraintes de forme pour faciliter la segmentation des structures à reconstruire, notamment dans les zones où les données de l'image sont bruitées ou lacunaires. Nous nous sommes également intéressés à la convergence formelle du processus de déformation. Nous avons développé un algorithme de changement de topologie des modèles discrets que nous avons comparé à l'approche par ensembles de niveaux. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la définition du terme d'attache aux données pour différents types d'images 3D. Nous avons envisagé plusieurs géométries rencontrées dans les images médicales. Nous avons étudié l'apport d'une information sur les régions ou sur la distribution des niveaux de gris de l'image pour la déformation ou le recalage multimodal d'un modèle. Finalement, nous nous sommes intéressés à la segmentation de séquences temporelles d'images cardiaques 2D ou 3D. La prise en compte de l'information temporelle permet d'introduire de nouvelles contraintes de déformations. Nous avons mis nos méthodes en pratique avec la segmentation d'images ou des séquences d'images cardiaques provenant de différentes modalités d'acquisition.

L'animation de scènes virtuelles en synthèse d'images est une technique maîtrisée, largement utilisée pour les effets spéciaux cinématographiques et les jeux vidéos. Elle se limite toutefois la plupart du temps à l'animation manuelle d'objets rigides. Cette thèse se propose de chercher à générer automatiquement les déformations d'un objet mou, qui plus est en temps-réel. L'application visée est la création d'un simulateur chirurgical d'opérations minimalement invasives destiné à terme à la formation des chirurgiens. Les méthodes actuelles ne permettent pas d'obtenir à la fois un réalisme visuel satisfaisant et une animation en temps-réel. Pour y parvenir nous avons utilisé les lois de l'élasticité linéaire qui garantissent le réalisme de l'animation et assurent qu'un même comportement de l'objet sera approché, quelle que soit la finesse de la discrétisation. Nous proposons alors une méthode de simulation multirésolution, qui adapte automatiquement en fonction de la simulation, pour chaque zone de l'objet, la précision des calculs pour obtenir un compromis entre une simulation grossière et très rapide ou au contraire une animation plus précise utilisant davantage de points. La partie de l'organe proche de l'outil manipulé par l'utilisateur sera ainsi animée avec une grande précision, qui diminuera dans les régions lointaines, moins importantes visuellement. Ces travaux ont abouti à la réalisation d'un prototype de simulateur chirurgical offrant une animation en temps-réel grâce à l'utilisation de la multirésolution. Le réalisme est accru par l'utilisation d'un dispositif à retour d'effort simulant la résistance de l'organe à la déformation, calculée grâce au modèle physique interne.

La simulation numérique de la mise en forme est un outil indispensable pour réduire les coûts de conception dans l'industrie. Le logiciel d'analyse éléments finis FORGE3® fut créé dans ce but et il est capable de résoudre des problèmes thermomécaniques des grandes déformations complexes, en prenant en comptes des lois de comportement non-linéaires et plusieurs corps déformables. Dans la première partie de cette thèse on présente les travaux effectuées pour prendre en compte les symétries cycliques de répétition afin de réduire le temps CPU pour la simulation thermomécanique du forgeage des engrenages hélicoïdaux. Ce type de symétrie est traité comme une condition de contact bilatéral collant particulière entre deux faces de symétrie appartenant au même corps, à travers d'un algorithme maître-esclave. Ensuite une technique similaire est utilisée pour traiter le contact entre la pièce et les outils déformables tout en gardant un domaine réduit sur lequel on effectue les calculs. Une première série des tests montre la fiabilité de la méthode. La deuxième partie se focalise sur l'amélioration du traitement du contact entre les corps déformables, dont les maillages sont non coïncidents. On utilise une formulation nodale, quasi-symétrique pénalisée de la condition de contact. Cette approche nous permet d'appliquer des conditions aux limites sur tous les nœuds des interfaces sans surcontraindre le problème. Une deuxième série d'exemples académiques et industriels montre les avantages en terme de précision et de vitesse de convergence de la nouvelle méthode, d'une part, et la robustesse du code pour résoudre des problèmes industriels d'autre part.