Cette thèse présente les travaux de recherche effectués dans le but de concevoir et optimiser un instrument de métrologie du front d’onde et d’imagerie de phase sur faisceau synchrotron dans la gamme des rayonnements X durs. L’étude s’est focalisée sur la conception d’un interféromètre à réseau unique dont l’extraction des informations associées à l’analyse du front d’onde s’effectue par démodulation Fourier. Ces choix ont été déterminés par la volonté de concevoir un instrument robuste pouvant fonctionner sur une large gamme de conditions expérimentales sans avoir à modifier et accorder les paramètres et éléments constitutifs fondamentaux de l’instrument à chaque expérience. Ceci se résume par la contrainte forte de pouvoir réaliser une calibration absolue du système de façon à garantir la prise de mesure ultérieure par acquisition d’un interférogramme unique tout en s’affranchissant des erreurs de mesure déterministes de l’instrument.La variable expérimentale la plus importante correspond à l’énergie de travail; par conséquent la conception de l’interféromètre s’est organisée autour de la recherche de performances constantes sur une large bande spectrale pour des énergies entre 10 à 30keV, et a conduit à l’étude et à la mise en œuvre d’une configuration interférométrique innovante. Celle-ci exploite un régime diffractif particulier du réseau permettant d’accéder à la propriété d’achromaticité (non rigoureuse) par repliement des performances de mesure sur cette bande spectrale, et ce, pour un instrument reposant pourtant sur un composant diffractif fondamentalement chromatique.D’autre part, afin de garantir l’analyse quantitative de l’information portée par les modulations interférométriques générées par le réseau, nous avons également optimisé les traitements numériques et abouti au développement d’un algorithme de pré-traitement des interférogrammes permettant de s’affranchir des effets de bord lors de l’analyse d’images à support fini. Les artefacts rencontrés sont connus sous le nom de phénomènes de Gibbs et apparaissent dans le cas général de la transformée de Fourier d’un signal discontinu. Ainsi, annuler ces effets de bord permet également de gérer les problèmes d’éclairement partiel de la pupille de l’analyseur dont la gestion est essentielle en métrologie de front d’onde.Enfin nous présenterons les résultats expérimentaux de validation du concept interférométrique et de mesures applicatives en métrologie optique et en imagerie de phase sur des échantillons d’intérêt issus de domaines variés, de la biologie à la paléontologie. / This PhD dissertation presents the optimization and design of a wavefront analyzer dedicated to optical metrology and phase imaging on synchrotron sources in the hard X-ray regime. We chose to develop a single grating interferometer combined with a phase retrieval algorithm based on Fourier analysis. The main purpose here is to conceive a bulk instrument able to work in a great variety of experimental conditions without having to tune the parameters of the instrument in between experiments. This is thus related to the key constraint that is to calibrate the wavefront analyzer so that any further measurements could be corrected from any deterministic errors and allow single shot measurements of any sample.The key varying parameter in synchrotron experiments is the radiation energy (or wavelength). Therefore, the design of the interferometer aimed at minimizing the discrepancies of its performances over a broad spectral range from 10 to 30keV . This research lead in one hand to the description and implementation of an innovative interferometric configuration based on the achromatization of the instrument performances over this spectral range, despite the chromatic nature of the grating.On the other hand, in order to guaranty the quantitative analysis of interferograms, we also optimized the numerical approach to extract and treat the information they contain. This lead to the development of a conditioning procedure for a subsequent phase retrieval by Fourier demodulation. It fulfills the classical boundary conditions imposed by Fourier transform techniques and allows a nearly artifact-free extraction of the information.At last, experimental results demonstrate first, the viability of the grating achromatization concept, and then, the possibility to realize the metrology of grazing incidence optics at different wavelengths. The instrument was then used for phase imaging purposes of biological and archaeological samples.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des travaux visant à réduire la durée d’impulsion des lasers XUV générés dans des plasmas au domaine femtoseconde. La bande spectrale très étroite du milieu amplificateur limite la durée minimum accessible (limite de Fourier). Le milieu amplificateur des lasers XUV sont des plasmas denses et chauds qui peuvent être créés aussi bien par décharge électrique rapide que par différents types de lasers de puissance. Il existe ainsi 4 types de sources lasers XUV distinctes dont les paramètres du plasma (densité, température) dans la zone de gain diffèrent. Or, les propriétés spectrales et temporelles du rayonnement émis sont fortement liées à ces paramètres. L’ensemble des 4 types de lasers XUV opèrent en mode d'amplification de l'émission spontanée (ASE) et 2 d'entre eux peuvent opérer en mode « injecté ». Cette technique consiste à injecter une impulsion harmonique d'ordre élevé femtoseconde, résonante avec la transition laser, à l'une des extrémités du plasma amplificateur. L'important désaccord entre la largeur spectrale du plasma et celle de l'harmonique ne permet pas de conserver la durée fs de cette dernière au cours de l'amplification. Les simulations (code Bloch-Maxwell COLAX) montrent que l'amplification est fortement non-linéaire dans ces systèmes, avec notamment l'apparition d’oscillations de Rabi. La génération d'oscillations de Rabi dans des lasers XUV en mode injecté est actuellement considérée comme un moyen prometteur de produire des lasers XUV fs, mais la manifestation de ces dernières n’a toutefois encore jamais été mise en évidence expérimentalement. Ainsi, une méticuleuse caractérisation expérimentale des propriétés spectrales des 4 types de lasers XUV en relation avec les conditions du plasma, associée à une meilleure compréhension des mécanismes d’amplification sous différentes conditions plasma basée sur des études théoriques et des simulations, sont nécessaires pour atteindre notre objectif. Une large campagne expérimentale visant à caractériser spectralement l'ensemble des différents types de lasers XUV a été menée par notre groupe sur la dernière décennie. La résolution spectrale nécessaire n'étant pas accessible avec les spectromètres actuels, la méthode employée consiste à mesurer la cohérence temporelle du laser XUV par autocorrélation du champ électrique à l'aide d'un interféromètre à division de front d'onde, spécifiquement conçu pour ces mesures, à partir desquelles la largeur spectrale peut être déduite. Le dernier type de laser XUV (PALS, Prague) a été caractérisé dans le cadre de cette thèse. Le temps de cohérence mesuré est de 0,68 ps, significativement inférieur aux valeurs mesurées sur les autres types de lasers XUV. L'analyse de l'ensemble des mesures a fait apparaître un comportement différent suivant que la durée d’impulsion est longue devant le temps de cohérence ou proche de celui-ci. Dans le premier cas les largeurs spectrales déduites sont en bon accord avec les calculs, dans le second l’accord est moins bon et la forme des traces d'autocorrélation n'était pas comprise. Ces observations ont motivé une étude détaillée de l'influence des propriétés temporelles de l'émission ASE des lasers XUV sur la méthode interférométrique employée pour caractériser leur largeur spectrale. Cette étude, basée sur un modèle emprunté aux lasers à électrons libres, a révélé un effet de la cohérence temporelle partielle sur les mesures d'autocorrélation en champ de ces sources. Elle ouvre des perspectives sur l'utilisation de notre méthode pour une mesure simultanée de la largeur spectrale et de la durée d'impulsion de la source. Enfin, une étude basée sur un modèle Bloch-Maxwell a été réalisée pour tenter de mieux comprendre les conditions d'apparition des oscillations de Rabi au cours de l'amplification de l'harmonique dans le plasma de laser XUV. Deux régimes d'amplification, adiabatique et dynamique, autour d'un seuil d'inversion de population ont été mis en évidence. / The work of this thesis was made in the context of the efforts made to reduce the pulse duration of plasma-based XUV lasers down to the femtosecond domain. The very narrow spectral width of the amplifier medium (~ 1E10 - 1E11 Hz) limits the minimum achievable pulse duration (Fourier limit). The amplifier medium of XUV lasers pumped by collisional excitation are dense and hot plasmas that can be created both by rapid electrical discharge and by different types of power lasers. There are thus 4 distinct types of XUV laser sources with different plasma parameters (density, temperature) in the gain region. Yet, the spectral and temporal properties of the emitted radiation are strongly linked to these parameters. All 4types of XUV lasers operate in amplification of spontaneous emission (ASE) mode, and 2 of them, for a few years, can operate in "seeded" mode. This technique consists in injecting a femtosecond high order harmonic pulse (the seed), resonant with the lasing transition, at one extremity of the plasma amplifier. Because of the major mismatch between the spectral width of the plasma and that of the seed the femtosecond duration of the latter is not preserved during amplification. Simulations (COLAX Maxwell-Bloch code) show that the amplification is highly non-linear in such systems, including the appearance of Rabi oscillations. Generating Rabi oscillations in seeded XUV lasers is currently considered a promising way to produce femtosecond XUV lasers. However Rabi oscillations have yet never been experimentally demonstrated. Thus, a meticulous experimental characterization of the spectral properties of the 4 types of XUV lasers in connection with the plasma conditions, combined with a better understanding of amplification mechanisms under different theoretical plasma conditions based on studies and simulations are needed to reach our goal. A wide experimental campaign aiming to spectrally characterize all different types of XUV lasers was conducted by our group over the past decade. The required spectral resolution is not available with the best current spectrometers, so the method we used consists on the measurement of the temporal coherence of the XUV laser through an electric field autocorrelation, using a wave front-division interferometer that was specifically designed for these measures, from which the spectral width can be deduced. The latter type of the four XUV laser types (PALS, Prague) was characterized during this thesis, closing this experimental campaign. The measured coherence time was 0.68 ps, which is significantly lower than the coherence times measured on the other XUV laser types. Analysis of the overall results revealed two different behavior whether the XUV laser has a long pulse duration compared to its coherence time or if the two durations are close. In the first case the inferred spectral widths are in good agreement with theoretical predictions, while in the second case the agreement was not as good and the shape of the electric field autocorrelation traces was not understood. This observation has prompted a detailed study of the influence of temporal properties of ASE XUV lasers on the interferometric methodology used to determine the spectral width of XUV lasers. The study, based on a model developed for X-free electron lasers, revealed an effect of partial temporal coherence in electric field autocorrelation measures of these sources. This study offers perspectives on a simultaneous measure of the spectral width and the duration of theses sources with our method. Finally, a study based on Maxwell-Bloch equations was carried out in order to understand better the conditions of apparition of Rabi oscillations. This study highlighted two amplification regimes, adiabatic and dynamic, around a population inversion threshold.

La vision future de l'internet des objets (IdO) et Internet du Tout (OIE) plongera les personnes soi-disant environnements intelligents impliquant un grand nombre de secteurs d'applications telles que l'habitat intelligent, smart-villes, surveillance de l'environnement, l'e-santé ... IdO et l'OIE ont tendance à faire des objets du quotidien lisible, identifiable, localisable, adressable et contrôlable via le déploiement sans fil généralisée et l'Internet. Parmi ces capacités, la localisation et plus largement le positionnement omniprésente joueront, dans un proche avenir, un rôle clé pour promouvoir une autre vision émergente: un Internet spatio-temporelle des lieux (IoP), qui serait en mesure de structurer et d'organiser, par des moyens des approches sans fil d'énergie savez, le contenu spatial d'Internet. Il est bien connu que dans les réseaux locaux sans fil et personnelles, l'encombrement du spectre, les communications à faible efficacité énergétique et l'exploitation insuffisante des ressources spatiales sont parmi les facteurs qui peuvent ralentir son développement en termes de débit et de l'autonomie. Pour surmonter ces restrictions inévitables, la technologie de localisation sans fil, comme le mécanisme pour découvrir relation spatio-temporelle entre les objets connectés, apparaît ici aussi comme une des solutions clés. Ce est parce que les techniques de localisation dédiés à la communication sans fil peuvent aider à développer plus largement l'exploitation des ressources spatiales et de permettre la conduite routage optimisé pour une faible énergie communication multi-hop et la décongestion du spectre pour Green ICT (Information et Communication Technology). Pour proposer des systèmes optimisés atteindre à la fois la communication des taux de données élevés et la localisation précise, nous définissons un TDOA bien adapté (Time Difference of Arrival) méthode basée en mesure d'effectuer la localisation basée sur des signaux de communication et de données seulement. Avec cette technique, contrairement estimations TDOA classiques, il est possible de diminuer considérablement la complexité des infrastructures nécessaires en utilisant des configurations SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) ou MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans les objets connectés . Toute cette étude est faite dans le cadre de l'IEEE 802.11ad spécifications de l'alliance standard et WiGig, mais les solutions proposées sont compatibles avec d'autres normes et peuvent être étendues à d'autres applications de contexte courant nécessitant entrées de localisation tels que la robotique par exemple ou de shopping intelligent... / The forthcoming vision of Internet of Things (IoT) and Internet of Everything (IoE) will immerse people in so-called Smart Environments involving a great number of sectors of applications such as smart habitat, smart-cities, environment monitoring, e-health… IoT and IoE tend to make everyday objects readable, recognizable, locatable, addressable and controllable via the widespread wireless deployment and the internet. Among these capabilities, localization and more extensively the ubiquitous positioning will play, in the next future, a key role to promote another emerging vision: a spatio-temporal Internet of Places (IoP), which would be able to structure and organize, by means of wireless energy aware approaches, the spatial content of Internet. It is well known that in wireless local and personal area networks, the spectrum congestion, the low energy efficiency communications and the insufficient exploitation of the spatial resources are among the factors that may slow down its development in terms of throughput and autonomy. To overcome these unavoidable restrictions, wireless localization technology, as the mechanism for discovering spatio-temporal relationship between connected objects, appears here also as one of the key solutions. This is because dedicated localization techniques in wireless communication can help in developing more extensively the exploitation of spatial resources and allow driving optimized routing for low energy multi-hop communication and spectrum decongestion for Green ICT (Information and Communication Technology). To propose optimized systems achieving both high data rate communication and precise localization, we define a well suited TDOA (Time Difference of Arrival) based method able to perform localization based on communication signals and data only. With this technique, unlike conventional TDOA estimations, it is possible to drastically decrease the complexity of required infrastructures by using either SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) or MIMO (Multiple Input Multiple Output) configurations in connected objects. This whole study is made within the framework of the IEEE 802.11ad standard and WiGig alliance specifications, however the proposed solutions are compatible with other standards and can be extended to other context aware applications requiring localization inputs such as robotics for example or smart shopping...

Certains aspects de l'extraction du signal cosmologique à 21 cm à partir des observations radio, ainsi que le traitement des données interférométriques pour des observations depuis le sol et depuis l'espace ont été étudiés et sont présentés dans cette thèse. J'ai développé un modèle cohérent et à haute résolution du ciel en radio, qui peut fournir une carte complète et précise du ciel, dans la gamme de fréquence 10 MHz à 2,3 GHz, avec une résolution pouvant atteindre une minute d'arc. Le modèle inclut plusieurs sources de rayonnement diffus, en particulier le synchrotron Galactique, les sources radio brillantes du ciel, ainsi qu'un modèle des sources faibles. J'ai également mis au point une méthode pour extraire le signal 21 cm cosmologique, fortement contaminé par les émissions d'avant-plan et le bruit des récepteurs. La méthode utilise une cascade de deux filtres de Wiener, dans l'espace des fréquences d'abord, et ensuite, dans le domaine angulaire. Le premier filtre exploite les variations lentes des émissions d'avant-plan selon la fréquence, tandis que le second filtre exploite les corrélations angulaires du signal cosmologique pour filtrer le bruit des récepteurs, considéré non corrélé entre deux directions différentes. J'ai développé un nouvel algorithme d'imagerie pour les interféromètres en orbite lunaire. Un tel instrument serait idéal pour cartographier le ciel en dessous de 30 MHz; il ne serait en effet pas soumis aux perturbations ionosphériques et serait protégé des interférences électromagnétiques dues aux émissions terrestres. J'ai montré que l'utilisation de la précession du plan orbital du satellite permet de résoudre le problème de la symétrie miroir. La méthode exploite la relation de projection linéaire entre la carte du ciel et les visibilités mesurées, tant dans l'espace angulaire que dans l'espace des harmoniques sphériques pour reconstruire la carte du ciel. L'algorithme d'imagerie gère la complication due à l'ombre de la Lune se déplaçant avec le temps sur le champ de vue des antennes couvrant tout le ciel. Notons que ces effets ne sont pas pris en charge par les algorithmes d'imagerie existants tels que la W-Projection et la WStacking. Enfin, j'ai effectué une première analyse des données de l'interféromètre de transit PAON-4. J'ai évalué la performance globale du réseau en termes de température de bruit et de la réponse des antennes. J'ai pu étalonner avec succès les visibilités, en déterminant à la fois l'amplitude et la phase des termes de gain complexes, tout en corrigeant les décalages de pointage des antennes de PAON4. J'ai ensuite reconstruit la carte du ciel pour une bande de 10 degrés autour de la déclinaison de la source brillante Cygnus A, à partir du flot de données PAON-4 calibré et nettoyé, en appliquant l'algorithme de décomposition en mode m dans l'espace des harmoniques sphériques. / Some aspects of extracting cosmological 21cm signal from radio observations, as well as processing of interferometric data for ground based or space born instruments have been studied and discussed in this dissertation. I have developed a high-resolution self-consistent radio whole sky model, which provides an accurate full sky maps in the frequency range from 10 MHz to 2.3 GHz, with angular resolution up to 1 arcmin. It includes bright and faint radio sources, Galactic synchrotron and Galactic freefree emissions. I have also developed a method to extract the faint cosmological 21-cm signal, heavily contaminated by foreground emissions and receiver noise. The method uses a cascade of two Wiener filters, in frequency domain and then, in angular domain. The first filter exploits the smoothness of the foreground emissions along the frequency, while the second filter exploits the angular correlations of the cosmological signal, due to the receiver noise is considered to be nearly uncorrelated between different directions. I have developed a studied the performance of a new imaging algorithm for lunar orbit interferometers. Such an instrument would be ideal for mapping the radio sky below 30 MHz, as it would be free from ionospheric perturbations, as well as electromagnetic interferences due to terrestrial emissions. I have shown that we make use of the precession of satellite orbital plane to solve the mirror symmetry problem, and exploit the linear mapping between the sky map and the measured visibilities, both in angular space and spherical harmonic space to reconstruct the sky map. The imaging algorithm handles the time-varying Moon's blockage over the whole sky field of view, which are not handled by existing imaging algorithms such as the WProjection and the W-Stacking. Finally, I have carried out a first analysis of the observational visibility data from the PAON-4 transit interferometer. I have evaluated the overall performance of the array in terms of system temperature and antenna response, and successfully calibrated the visibilities, determining both amplitude and phase of the complex gain terms, while correcting PAON-4 antennae pointing offsets. I have then reconstructed the sky map for a 10 degree strip around Cygnus A declination, from the cleaned calibrated PAON-4 data streams, applying the m-mode decomposition map-making algorithm in spherical harmonic space.

Le cancer de la peau est un enjeu majeur de santé publique. Il représente le type de cancer ayant le plus fort taux de prévalence et le nombre de cas semble être en constante augmentation. Aujourd'hui, la méthode de référence pour le diagnostic du cancer cutané nécessite un échantillon de tissu suspect, appelé biopsie, prélevé après un simple examen visuel de la peau du patient. Par conséquent, près de 60 % des biopsies se révèlent être bénignes et environ 20 % des cancers de la peau ne sont pas détectés.Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur le développement d'un dispositif de tomographie par cohérence optique confocale en ligne (LC-OCT) capable de produire des images d'une qualité similaire aux coupes histologiques de manière non invasive et in vivo. Le prototype conçu fonctionne à une longueur d'onde centrale autour de 800 nm avec une largeur spectrale d'environ 150 nm. Il a été appliqué à l'imagerie in vivo de la peau avec une résolution spatiale quasi-isotrope d'environ 1 µm et une profondeur de pénétration de 400 µm. Ce dispositif pourrait alors être utilisé pour améliorer l'efficacité du processus de diagnostic du cancer de la peau en limitant le nombre de cas non détectés ainsi que le nombre de biopsies inutiles.Nous présentons ensuite un dispositif de LC-OCT fonctionnant dans deux bandes spectrales centrées autour de 770 nm et 1250 nm. La première bande produit des images à haute résolution (1.3 µm x 1.2 µm, latéral x axial) tandis que la seconde offre une profondeur de pénétration accrue (700 µm). En fusionnant les images produites dans les deux bandes il a été possible de produire des images avec une bonne résolution en superficie tout en ayant une profondeur de pénétration étendue. De plus, acquérir des images d'un échantillon dans deux bandes spectrales différentes permet dans une certaine mesure d'obtenir des informations sur les propriétés spectrales de l'échantillon.Finalement, nous présentons une preuve de concept d'un dispositif de LC-OCT couplé avec un microscope Raman ainsi que quelques exemples d'application. La microscopie Raman est une modalité spectroscopique qui permet d'identifier des molécules et ainsi de mesurer "l'empreinte digitale" d'un échantillon. Cette modalité pourrait alors fournir des informations complémentaires aux images morphologiques acquises par LC-OCT à propos de la composition biomoléculaire de l'échantillon. / Skin cancer is a major public health issue. Among all types of cancer, skin cancer has the highest prevalence rate and the number of cases seems to be steadily increasing. Currently, the gold standard of skin cancer diagnosis requires a sample of suspicious tissue, called a biopsy, removed after a simple visual inspection of the patient's skin. Consequently, almost 60 % of biopsies result in benign diagnoses, and approximately 20 % of all skin cancers are missed.The research presented in this thesis revolves around the development of a line-field confocal optical coherence tomography (LC-OCT) device capable of producing non-invasive in vivo images similar in quality to histological cuts. The designed prototype operates at a center wavelength around 800 nm with a spectral width of approximately 150 nm. It has been applied to in vivo skin imaging with an almost isotropic spatial resolution of about 1 µm and a depth penetration reaching 400 µm. This device could thus be used to improve the efficiency of skin cancer diagnosis by limiting the number of undiagnosed cases and the number of unnecessary biopsies.We then present a LC-OCT device system operating in two spectral bands centered around 770 nm and 1250 nm. The first band produces high resolution images (1.3 µm x 1.2 µm, lateral x axial) while the second provides enhanced penetration depth (700 µm). By merging the images acquired in the two bands it has been possible to produce images with both high resolution and high penetration. Moreover, acquiring images of a sample in two different spectral bands can give, to a certain extent, information on the spectral properties of the sample.Lastly, we present a proof-of-concept LC-OCT prototype coupled together with a Raman microscope, as well as some application examples. Raman microscopy is a spectroscopic method capable of identifying molecules present in a sample and thus measuring the "fingerprint" of a sample. This modality could then provide complementary information to the morphological images provided by LC-OCT about the biomolecular composition of the sample.

QUBIC est une expérience au sol en cours de construction dont le but est de mesurer les modes-B primordiaux du fond diffus cosmologique en utilisant la technique innovante de l’interférométrie bolométrique. Grace à la fusion entre interférométrie et imagerie,QUBIC a une très bonne sensibilité et un excellent contrôle des effets systématiques instrumentaux. De plus, du fait de la dépendance en fréquence du lobe synthétique,QUBIC peut être utilisé comme un spectre-imageur. Ces points pris en compte, la sensibilité globale de QUBIC au rapport tenseur/scalaire est 0.012. L’objectif de cette thèse est de d´écrire le code d’analyse de données de QUBIC, depuis la fabrication de cartes`a partir des données temporelle jusqu’`a la séparation de composantes astrophysique, l’estimation du spectre de puissance angulaire et celle des paramètres cosmologiques.Les aspects essentiels de ce travail sont les suivants: la fabrication de carte qui est très inhabituelle vis à vis des autres projets du domaine et le développement de la stratégie de couverture du ciel pour QUBIC. / QUBIC is a ground-based experiment aiming to measure the primordial B-modes, currently under construction, that uses the novel bolometric interferometry technique. Thanks to the fusion nature of QUBIC, it has very good sensitivity and excellent control of systematics. Moreover, the fact that the synthesized beam depends on the wavelength allows us to treat QUBIC as a spectro-polarimeter. These factors together give sensitivity on tensor-to-scalar ratio r 0.012. The goal of this thesis is to describe the pipeline of data analysis for QUBIC, from map-making of CMB from raw time-ordered data, through component separation and power spectra estimation to cosmological parameter estimation. The main accents of this work are: map-making, which is very unusual in comparison with other experiments in the field, and the development of scanning strategy for QUBIC.

L'impression par transfert, une technique utilisée pour transférer divers matériaux tels que des molécules d'ADN, de la résine photosensible ou des nanofils semi-conducteurs, s'est dernièrement révélée utile pour la réalisation de structures de silicium statiques sous le nom de micro-maçonnerie. L'étude présentée ici explore le potentiel de la technique de micro-maçonnerie pour la fabrication de résonateurs MEMS. Dans ce but, des microplaques de silicium ont été transférées sur des couches d'oxyde avec cavités intégrées à l'aide de timbres de polymère afin de créer des structures de type plaques suspendues. Le comportement dynamique de ces structures passives a été étudié sous pression atmosphérique et sous vide en utilisant une excitation externe par pastille piézo-électrique mais aussi le bruit thermomécanique. Par la suite, des résonateurs MEMS actifs, à actionnement électrostatique et détection capacitive intégrés, ont été fabriqués en utilisant des étapes supplémentaires de fabrication après impression. Ces dispositifs ont été caractérisés sous pression atmosphérique. Les facteurs de qualité intrinsèques des dispositifs fabriqués ont été évalués à 3000, ce qui est suffisant pour les applications de mesure à pression atmosphérique et en milieu liquide. Nous avons démontré que, puisque l'adhérence entre la plaque et l'oxyde est suffisamment forte pour empêcher une diaphonie mécanique entre les différentes cavités d'une même base, plusieurs résonateurs peuvent être facilement réalisés en une seule étape d'impression. Ce travail de thèse montre que la micro-maçonnerie est une technique simple et efficace pour la réalisation de résonateurs MEMS actifs de type plaque à cavité scellée. / Lately, transfer printing, a technique that is used to transfer diverse materials such as DNA molecules, photoresist, or semiconductor nanowires, has been proven useful for the fabrication of various static silicon structures under the name micro-masonry. The present study explores the suitability of the micro-masonry technique to fabricate MEMS resonators. To this aim, silicon microplates were transfer-printed by microtip polymer stamps onto dedicated oxide bases with integrated cavities in order to create suspended plate structures. The dynamic behavior of fabricated passive structures was studied under atmospheric pressure and vacuum using both external piezo-actuation and thermomechanical noise. Then, active MEMS resonators with integrated electrostatic actuation and capacitive sensing were fabricated using additional post-processing steps. These devices were fully characterized under atmospheric pressure. The intrinsic Q factor of fabricated devices is in the range of 3000, which is sufficient for practical sensing applications in atmospheric pressure and liquid. We have demonstrated that since the bonding between the plate and the device is rigid enough to prevent mechanical crosstalk between different cavities in the same base, multiple resonators can be conveniently realized in a single printing step. This thesis work shows that micro-masonry is a powerful technique for the simple fabrication of sealed MEMS plate resonators.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016

Le calibrage des caméras est l'une des pierres angulaires de la plupart des systèmes de vision artificielle car c'est cette opération qui établit le lien entre le monde physique et l'image. On dispose aujourd'hui de plusieurs techniques bien établies pour réaliser cette opération. Il existe toutefois certaines situations pour lesquelles les techniques usuelles ne sont pas assez précises. C'est le cas notamment des systèmes de vision 3D actifs. Les systèmes dits ``actifs'' disposent d'un mécanisme d'entraînement qui leur permet repositionner leurs caméras en temps réel. Puisque les mesures 3D en vision reposent sur la connaissance de la position relative des caméras, les déplacements de celles-ci à l'intérieur d'un système actif doivent être modélisés et calibrés afin que leur position exacte puisse être mise à jour en continue. Mener à bien ce type de calibrage exige que les déplacements des caméras puissent être mesurés avec une très grande précision. Cette thèse propose une approche pour le calibrage géométrique de caméras qui répond aux besoins en précision des systèmes actifs. L'originalité de cette approche vient du fait qu'elle exploite les propriétés du speckle laser. Les bases théoriques sur lesquelles elle s'appuie sont tirées du domaine de la mesure par speckle (``speckle metrology''). C'est la première fois que les principes de la mesure par speckle sont appliqués au domaine de la vision artificielle. L'intérêt de faire intervenir le speckle laser dans le calibrage est qu'il permet de découpler les composantes en rotation de celles en translation du mouvement des caméras. Dans le contexte des systèmes actifs, ce découplage des deux types de mouvements permet d'atteindre un niveau de précision de calibrage qu'il est impossible d'atteindre avec les approches classiques basées sur l'observation d'une cible de calibrage conventionnelle. Outre le calibrage de systèmes actifs, l'approche proposée peut s'appliquer à d'autres aspects du calibrage de caméras. En particulier, on démontre comment celle-ci peut être utilisée pour calibrer une paire de caméras stéréoscopiques classique. La méthode proposée permet d'obtenir un calibrage dont la précision est équivalente à celle des méthodes conventionnelles tout en offrant deux avantages pratiques importants. Le premier est que le dispositif permettant d'effectuer le calibrage est compact et le second est que le calibrage peut être réalisé sans qu'il ne soit nécessaire d'avoir accès au volume de travail de la paire stéréo. %Outre le calibrage de systèmes actifs, l'approche proposée peut s'appliquer à d'autres aspects du calibrage de caméras. En particulier, on démontre comment celle-ci peut être utilisée pour calibrer une paire de caméras stéréoscopiques classique. La méthode proposée permet d'obtenir un calibrage dont la précision est équivalente à celle des méthodes conventionnelles tout en offrant les avantages pratiques suivant. Le dispositif permettant d'effectuer le calibrage est compact. Le calibrage peut être complété avec moins de manipulations. Enfin, le calibrage peut être réalisé sans qu'il ne soit nécessaire d'avoir accès au volume de travail de la paire stéréo. / Because it establishes the link between image coordinates and the physical world, camera calibration is one of the corner stones of computer vision systems. Several existing techniques can perform this operation, but these are not always accurate enough, depending on circumstances. This is particularly the case for ``active'' 3D systems that incorporate mechanisms to allow real time repositioning of cameras. Since 3D measurements in computer vision rely on the knowledge of the relative camera positions, their exact movements within the active system must be updated in a continuous fashion. Calibrating such systems is only feasible when camera movements can be measured very accurately, which is not possible using current techniques. In this thesis, an original approach is proposed for the geometric camera calibration of active vision systems, based on the theoretical foundations of speckle metrology. It exploits the unique properties of laser speckle to meet the special requirements of active vision systems. It also represents the first use of laser speckle in this field. The main benefit of laser speckle is that it allows the measurement of rotational component of the camera movements independently from its translational component. The ability to perform independent measurements of these two components is what gives this new approach a much improved accuracy compared to conventional techniques based on the use of calibration targets. Besides the calibration of active vision systems, the proposed approach can be applied to other types of vision systems as well. In particular, the thesis shows that the proposed approach can also be applied to calibrate a classical pair of static stereoscopic cameras. The proposed technique show equivalent accuracy compared to conventional techniques while providing two major practical advantages. First, the calibration device is very compact and second, the calibration procedure doesn't require the working area of the stereo pair to be accessed.

Les nouvelles techniques de spectrométrie utilisant le battement de deux peignes de fréquences sont en plein essor. Le présent mémoire de maîtrise a pour but d'exposer la double utilisation possible d'un même système en adoptant cette nouvelle technique; soit la détermination du spectre d'un objet à une certaine distance ainsi que la mesure de cette même distance. Ce mémoire fera donc une brève description des systèmes actuels permettant d'effectuer des mesures pour ces deux domaines. Ensuite, nous ferons une description détaillée des différentes méthodes que nous avons utilisées afin d'adapter notre montage pour prendre ces mesures. Finalement, nous vous exposerons nos résultats et en ferons l'analyse.