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L'objectif est de développer un guillochage de photographie inspiré de l'holographie numérique en ligne, capable d'encoder la signature issue d'un hachage robuste de l'image (méthode de Mihçak et Venkatesan). Une telle combinaison peut permettre l'authentification de l'image guillochée dans le domaine numérique, le cas échéant après impression. Cette approche contraint le hachage à être robuste au guillochage. La signature est codée en un nuage de formes que l'on fait virtuellement diffracter pour former la marque à insérer (guilloches dites de Fresnel) dans l'image originale. Image dense, cette marque est insérée de façon peu, voire non visible afin de ne pas gêner la perception du contenu de la photographie mais de façon à pouvoir ultérieurement lire la signature encodée en vue de la comparer à la signature de la photographie à vérifier. L'impression-lecture rend la tâche plus difficile. Le guillochage de Fresnel et l'authentification associée sont testés sur une banque (réduite) d'images / This work aims to develop a new type of guilloché pattern to be inserted in a photograph (guillochage), inspired from in-line digital holography and able to encode an image robust hash value (méthode de Mihçak et Venkatesan). Such a combination can allow the authentication of the image including the guilloché pattern in the digital domain and possibly in the print domain. This approach constraints image hashing to be robust to guillochage. The hash value is encoded as a cloud of shapes that virtually produces a diffraction”pattern to be inserted as a mark (named “guilloches de Fresnel“) in the original image. The image insertion results from a trade off : the high-density mark should be quite or even not visible in order to avoid any disturbance in the perception of the image content but detectable in order to be able to compare the decoded hash to the hash of the current photograph. Print and scan makes the task harder. Both the Fresnel guillochage and the associated authentication are tested on a (reduced) image database

Nous présentons dans ce manuscrit une technique d’imagerie basée sur l’holographie numérique. Elle permet d’imager en 3D et dans le temps la circulation sanguine chez une larve de poisson-zèbre. L’information 3D est acquise en une seule image de la caméra, ce qui permet de suivre le mouvement des globules rouges dans le système vasculaire. Nous évoquerons dans un premier temps les techniques de bio-imagerie et d’imagerie du flux sanguin traditionnelles, puis nous rappellerons les principes de l’holographie. Ensuite, nous décrirons la méthode d’imagerie que nous avons développée et les résultats expérimentaux obtenus. Nous compléterons, en présentant les différentes améliorations que nous avons apportées à la technique. Enfin, nous discuterons brièvement de l’application du compressed sensing à l’imagerie de la circulation sanguine dans le poisson-zèbre. / In this manuscript, we present an imaging technique based on digital holography.It enables to image in 3D and in time the blood circulation in a zebrafish larva. The 3D information is acquired in a single frame of the camera, which makes possible to track the movement of red blood cells in the vascular system. We will first discuss the traditional techniques of bio and blood flow imaging, then we will remind the principles of holography. Afterwards, we will describe the imaging method we developed and the experimental results obtained. We will then present the improvements that have been made to the technique. Finally, we will briefly discuss the application of the compressed sensing to the blood flow imaging in zebrafish.

Es wird ein "off-axis" Aufbau zur digitalholographischen Mikroskopie in Durchlicht- und Auflichtanordnung vorgestellt, der gleichzeitig hoch aufgelöste "full-field" Amplituden- und quantitative Phasenkontrastmikroskopie ermöglicht. Dabei werden verschiedene Algorithmen zur numerischen Rekonstruktion der komplexen Objektwelle bzgl. ihrer Eignung für die mikroskopische Anordnung miteinander verglichen. Durch Kombination eines beugungsfreien räumlichen Phasenschiebeverfahrens, das die Rekonstruktion ohne "Twin-Image" und nullte Beugungsordnung ermöglicht, und der Auswertung des Fresnel-Kirchhoff''schen Beugungsintegrals mit der Faltungsmethode werden die besten Ergebnisse erzielt. Die gleichzeitige Rekonstruktion der Amplitude und der Phase der Objektwelle aus einem einzigen Hologramm erfordert die mathematische Beschreibung der räumlichen Phasenverteilung in der Hologrammebene. Zur Bestimmung der Modellparameter wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt und hinsichtlich seiner Genauigkeit getestet. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen axialer Probenposition und dem Rekonstruktionsabstand, dessen Kenntnis zur quantitativen Auswertung und für eine rein numerische Fokussierung notwendig ist, hergeleitet. Anhand von Untersuchungen an technischen Objekten werden die laterale Auflösung und die Phasenauflösung des Systems quantifiziert und weitere experimentelle Parameter optimiert. Transparente biologische Proben, wie lebende Zellen, werden in Durchlichtanordnung analysiert. Dabei ist zur Bestimmung der Zelldicke die Kenntnis der Brechungsindizes von Zelle und Medium erforderlich. Hierfür wird ein experimentelles Verfahren vorgestellt, das die Abschätzung des integralen Brechungsindexes von Einzelzellen anhand ihrer rekonstruierten räumlichen Phasenverteilung ermöglicht. Exemplarisch wird Zelldifferenzierung aufgrund morphologischer Eigenschaften nachgewiesen und es werden Ergebnisse dynamischer Untersuchungen an lebenden Zellen gezeigt und diskutiert. / An off-axis setup for digital holographic microscopy in incident and transmission light arrangement for simultaneous high resolution full field amplitude and quantitative phase contrast microscopy is presented. Different kinds of algorithms for numerical reconstruction of the complex object wave are compared concerning their applicability to the microscopy arrangement. By combining a non-diffractive spatial phase shifting algorithm that performs reconstruction without the disturbing terms twin image and zero order with the numerical evaluation of the Fresnel-Kirchhoff diffraction integral by a convolution method we achieve best results. The simultaneous reconstruction of the object wave''s amplitude and phase from a single hologram requires a mathematical model of the spatial phase distribution within the hologram plane. An efficient numerical algorithm has been developed for determining the model''s parameters automatically and tested concerning its accuracy. Furthermore, the relation between the axial position of the object and the distance of reconstruction which is required for the quantitative evaluation of the reconstructed images and the application of a pure numerical focus is derived. Technical objects were used to quantify the lateral resolution and the phase resolution of the system and to optimize several parameters of the setup. Biological probes such as living cells are analyzed in transmission light arrangement. As a result the knowledge of the refractive index of the medium and the cell is required to derive the cell''s thickness from the reconstructed phase. Thus a special experimental method for the approximation of the integral refractive index of single cells from the reconstructed phase has been developed. Finally results of cell differentiation by morphological varieties as well as results of stimulated dynamic morphological changes are presented and discussed.

In this thesis, studies on the applications of digital micro-mirror devices (DMD) to enhancement of digital optical microscope images are presented. This involves adaptation of the fast switching capability and high optical efficiency of DMD to control the spatial illumination of the specimen. The first study focuses on a method of using DMD to enhance the dynamic range of a digital optical microscope. Our adaptive feedback illumination control method generates a high dynamic range image through an algorithm that combines the DMD-to-camera pixel geometrical mapping and a feedback operation. The feedback process automatically generates an illumination pattern in an iterative fashion that spatially modulates the DMD array elements on a pixel-by-pixel level. Via experiment, we demonstrate a transmitted-light microscope system that uses precise DMD control of a DMD-based projector to enhance the dynamic range ideally by a factor of 573. Results are presented showing approximately 5 times the camera dynamic range, enabling visualization over a wide range of specimen characteristics. The second study presents a technique for programming the source of the spherical reference illumination in a digital in-line holographic microscope using DMD. The programmable point source is achieved by individually addressing the elements of a DMD to spatially control the illumination of the object located at some distance from the source of the spherical reference field. Translation of the ON-state DMD mirror element changes the spatial location of the point source and consequently generates a sequence of translated holograms of the object. The experimental results obtained through numerical reconstruction of translated holograms of Latex microspheres shows the possibility of expanding the field of view by about 263% and also extracting depth information between features in an object volume. The common challenges associated with the use of DMD in coherent and broadband illumination control in both studies are discussed.

De nombreux procédés de la recherche et de l'industrie utilisent l'extraction liquide-liquide, technique qui permet la séparation sélective de produits au sein d'un mélange. À cet effet, deux liquides non miscibles sont mis en contact : une phase aqueuse et une phase organique, l'une contenant généralement une molécule extractante capable de transférer les éléments désirés à l'autre. Le transfert se produit à la surface de contact entre les deux phases. Après le transfert, les deux phases sont séparées par décantation. Dans la pratique, ces opérations sont effectuées dans des appareils industriels. Pour optimiser et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'émulsion. Il s'agit notamment des paramètres liés à la vitesse des écoulements ainsi que ceux liés au mélange des fluides comme l'aire interfaciale, le taux de rétention, ou la distribution en taille de la population de gouttes. Plusieurs techniques d'imagerie peuvent être utilisées pour les mesurer. L'une d'elles, l'holographie numérique, est bien connue pour permettre la reconstruction complète en 3D d'un écoulement à partir d'une seule acquisition. Ce travail de thèse traite d'une application de l'holographie numérique en ligne directement sur des gouttes en mouvement dans une phase liquide continue. La taille des gouttes a imposé l'exploration d'un régime de diffraction peu étudié à ce jour. Dans ce domaine, le modèle du disque opaque classiquement employé n'est pas valide et un meilleur accord est obtenu avec un modèle mixte lui associant une lentille mince. La focalisation des hologrammes est réalisée via une méthode dédiée et automatique qui a été établie à partir d'une étude complète de la littérature. Dans un deuxième temps, afin de mesurer des rétentions plus élevées, elle est complétée par une approche inverse permettant de corriger les mauvais positionnements et de restituer les gouttes non détectées. Ce traitement a été appliqué à des résultats expérimentaux, sur un dispositif de référence produisant des gouttes calibrées, et comparé à des mesures indépendantes. Ces essais ont validé la pertinence de l'holographie pour la caractérisation des émulsions. / Several processes used in research and industry are based on liquid-liquid extraction, a method designed for selective separation of products in a mixture. In liquid-liquid extraction, two immiscible liquids are contacted: an aqueous phase and an organic phase, one of which generally contains an extractant molecule capable of transferring the desired elements to the other phase. The transfer occurs at the contact surface between the two phases. After transfer, both phases are separated by settling. In practice, these operations are performed in industrial apparatus. In order to optimize the operation of these devices, it's important to determine the fundamental characteristics of the emulsion. These include parameters related to the fluid flow velocity as well as parameters related to fluid mixing such as the interfacial area, hold-up, and size distribution of the droplets population. Numerous imaging techniques can be used to measure these parameters. One of them, digital holography, is well-known for allowing complete reconstruction of information about a 3D flow in a single shot. This PhD work deals with a direct application of digital in line holography to droplets rising in a continuous liquid phase. The droplet size imposes a regime of intermediate-field diffraction hardly explored to date. Acquired diffraction patterns show that the usual dark disk model is not valid and that good agreement is obtained with a mixed model coupling thin lens with opaque disk. Hologram focusing is nevertheless performed with a dedicated automated method. A literature review has been conducted to identify the sharpest autofocus function for our application. In a second step, in order to measure high retention rates, an inverse problem approach is applied on all the outliers and missing droplets. This hologram restitution treatment has been applied to experimental results with a comparison to independent measurements. The main results obtained with calibrated droplets are presented detailing the test device and instrumentation. They have validated the relevance of holography for the characterization of emulsions.