Ce manuscrit de thèse traite de l’étude de verres ophtalmiques microstructurés et plus particulièrement pixellisés, ces derniers pouvant présenter un intérêt particulier en optique active pour la correction de la presbytie. Une étude théorique est proposée, permettant d’analyser les performances optiques d’une lentille pixellisée en termes de transport d’image et d’identifier les paramètres qui ont un impact direct sur ces performances. Après validation expérimentale des résultats obtenus, nous constatons puis expliquons l’effet sur l’observation d’une scène de l’excentrement de l’œil par rapport à la fonction de phase du verre. Nous étudions l’effet du repliement de phase inhérent aux limites des technologies de fabrication, qui vient ajouter un chromatisme axial aux défauts visuels engendrés par la pixellisation. Nous nous intéressons ensuite aux applications possibles de la pixellisation en optique passive. Nous prouvons que pour une application visée, des lentilles binaires non pixellisées, dont nous optimisons la qualité optique, conduisent à de meilleurs résultats que les lentilles pixellisées. L’impact sur l’acuité visuelle des phénomènes diffractifs parasites induits par la pixellisation est évalué au moyen d’un banc de mesure utilisant la simulation de certaines images telles qu’elles seraient vues au travers de verres ophtalmiques pixellisés. Enfin, nous menons une étude de l’aspect esthétique d’un verre pixellisé vu par un observateur externe, à partir de modèles de calcul hybrides mêlant optique géométrique et optique de Fourier. / This thesis investigates microstructured and more particularly pixelated ophthalmic glasses, the latter raising some hope for the active correction of presbyopia. A theoretical study is developed for the analysis of the optical performances of a pixelated lens in terms of image transport and leads to the identification of the parameters which have an impact on these performances. After experimental validation of the results obtained, we note and then explain the effect on the observation of a scene of eye displacement with respect to the optical function of the eyeglass. We study the effect of phase wrapping, which is inherent in the limits of the technologies implied in the manufacturing process and adds an axial chromatism effect to the visual defects generated by pixelation. We are also interested in the potential applications of pixelation in the field of passive optics. We prove that for a given application, non pixelated binary lenses, the optical quality of which we optimize, lead to better results than pixelated lenses. The impact on visual acuity of the parasitic diffractive phenomena induced by pixelation is evaluated with an optical bench using the simulation of test images seen through pixelated lenses. Finally, we study the aesthetic aspect of a pixelated component as seen by an external observer, using hybrid calculation models based on both geometrical and Fourier optics.

Dans cette thèse nous présentons différents motifs formés par auto-organisation de matériaux azopolymères soumis à un rayonnement lumineux. Nous avons montré que de nombreux réseaux de surface photoinduits, jusqu'à 10, peuvent êtreenregistrés sur la même zone d’un film azopolymère pourvu que la polarisation du faisceau d'écriture soit bien choisie. Cet effet a permis la création d'une grande variété de motifs complexes. Dans cette thèse, nous montrons de telles structures complexes formées à la surface de couches minces d'azopolymère via un ensemble de réseaux superposés (jusqu'à 16 sur la même zone). Nous créons ainsi des structures dites quasi-cristal à 2 dimensions. La surface d'azopolymère est alors utilisée comme un moule afin d'être répliquée avec un élastomère. La couche d’élastomère ainsi produite possède la même structure que le moule enazopolymère. Cette couche est flexible, transparente et étirable et nous l'avons utilisé pour le dépôt de nano-objets uniques. Les caractéristiques de deux surfaces photoinduites de deux azopolymères chiraux ont été comparées: une surface aléatoire de type gaussien et une surface avec des réseaux quasi-aléatoires. Ces motifs ont été obtenus avec une technique simple de type ‘bottom-up’ en éclairant la couche mince d'azopolymère avec un seul faisceau laser. La surface avec des réseaux quasi-aléatoires peut être utilisée pour le couplage de la lumière dans plusieurs directions dans un film ultra-mince. Ces deux surfaces ont été utilisées comme moule et répliquées sur un élastomère transparent. Elles montrent un très bon piégeage de la lumière. Plus précisément, le piégeage de la lumière est 20% meilleur avec les réseaux quasialéatoires qu'avec la surface aléatoire de type gaussien et il est de l'ordre de 40%. / In this thesis we present various patterns formed by self-organization of azopolymer materials subjected to light radiation. We have shown that many photoinduced surface gratings, up to 10, can be recorded on the same area of an azopolymer film, provided that the polarization of the writing beam is well chosen. This effect allowed the creation of a wide variety of complex patterns. In this thesis, we show such complexstructures formed on the surface of thin layers of azopolymer, via a set of superimposed networks (up to 16 on the same zone). We thus create so-called quasicrystal structures with 2 dimensions. The azopolymer surface is then used as a mold to be replicated with an elastomer. The elastomer layer produced has the same structure as the azopolymer mold. This layer is flexible, transparent and stretchable and we used it for the deposition of unique nano-objects. The characteristics of two photoinduced surfaces of two chiral azopolymers were compared: a Gaussian type random surface and a surface with quasi-random lattices. These patterns were obtained with a simple bottom-up technique, by illuminating the thin layer of azopolymer with a single laser beam. The surface with quasi-random lattices can be used for the coupling of light in several directions in an ultra-thin film. These two surfaces were used as molds and replicated on a transparent elastomer. They show a very good trapping of light. More precisely, the trapping of the light is 20% better with the quasi-random gratings than with the random surface of the Gaussian type and it is of the order of 40%.

Un contrôle précis de la maturation ovocytaire et de la ponte sont essentiels au succès de la reproduction sexuée au sein le règne animal. Ces processus sont coordonnés précisément par des signaux endocriniens et/ou environnementaux, selon les espèces, mais beaucoup reste à apprendre sur leurs régulations. Chez les cnidaires, de nombreuses méduses du groupe des hydrozoaires sont connues pour produire des gamètes en réponse à la transition nuit/jour. Pour caractériser les machineries cellulaires et moléculaires liant la réception de la lumière à l'initiation de la maturation ovocytaire, j'ai étudié la méduse hydrozoaire Clytia hemisphaerica. Mon travail de thèse s’est découpé en trois parties, chacune impliquant l'identification d'un composant moléculaire clé de ce processus.Mon étude initiale faisait partie d'une collaboration avec N. Takeda (Asamushi) et R. Deguchi (Sendai), chercheurs qui avaient, avant le début de ma thèse, identifié chez Clytia les Hormones d'Incitation de Maturation ovocytaire endogènes (MIH) comme étant des tétrapeptides de type WPRPamide, produit par clivage de deux précurseurs à neuropeptides. J'ai montré par hybridation in situ et immunofluorescence que les deux gènes précurseurs du MIH sont exprimés par un type de cellules neurosécrétrices localisées au niveau de l’ectoderme de la gonade, et que les peptides MIH sont sécrétés par ces mêmes cellules suite à une stimulation lumineuse. Cette étude a posé les bases permettant l'identification des régulateurs agissant en amont et en aval du MIH, et plus spécifiquement ceux impliqués dans la photoréception de l’ectoderme de la gonade et la réception du MIH par les ovocytes.Pour identifier le récepteur du MIH de Clytia (CheMIHR) dans les ovocytes, j'ai compilé à partir de données transcriptomiques issues de tissus de gonades, une liste de 16 protéines candidates de la famille des Récepteurs Couplés aux Protéines G (GPCR). J'ai cloné les 16 cDNAs et, utilisant une méthode de « deorphelinisation » de GPCR basée sur de la culture cellulaire (collaboration avec P. Bauknecht et G. Jékély; MPI, Tübingen), j’ai pu identifier un GPCR activée par des peptides MIH synthétiques. Sa fonction in vivo comme récepteur essentiel du MIH a été confirmée par la méthode d'édition génétique CRISPR/CAS9. La délétion ainsi produite, entraînant un déplacement du cadre de lecture au sein du gène CheMIHR, a détérioré la croissance des colonies de polypes et le comportement de ponte des méduses matures. Confirmant la fonction de CheMIHR, la maturation ovocytaire chez des mutants CheMIHR ne pouvait pas être déclenchée par la lumière ou par addition de MIH synthétiques, mais pouvait être rétablie en utilisant des analogues au cAMP, molécule connue pour agir en aval de la réception du MIH dans les ovocytes d’hydrozoaires. Des analyses phylogénétiques ont montré que Clytia MIHR est affilié à un sous-ensemble de familles de neuropeptides de bilaterians impliqués dans divers processus physiologiques, notamment la régulation de la reproduction. Des hybridations in situ sur les méduses Clytia, ont en outre montré l'expression des précurseurs de CheMIH et de CheMIHR dans des cellules neurales hors de la gonade, suggérant un rôle plus large du couple CheMIH-MIHR que la seule initiation de la maturation ovocytaire.Pour mieux comprendre la photoréception des gonades chez Clyita, j'ai montré que la ponte est sélectivement incitée par la lumière bleu-cyan, et mis en évidence, grâce à l’analyse de données de transcriptome de gonade, qu’un photopigment de la famille des Opsin (Opsin9) est hautement exprimé dans l'ectoderme. De façon saisissante, les hybridations in situ ont montré que le gène Opsin9 est exprimé dans les mêmes cellules sécrétant le MIH. L'introduction d'une mutation de changement de cadre de lecture dans le gène Opsin9 via la technologie CRISPR/Cas9 a empêché la maturation ovocytaire et la ponte des méduses mutantes en réponse à la lumière... / Tight control of oocyte maturation and of gamete release is essential for successful sexual reproduction in the animal kingdom. These processes are precisely coordinated by endocrine and/or environmental cues, depending on the species, but much remains to be learned about their regulation. Within the Cnidaria, many hydrozoan jellyfish are known to spawn mature gametes following dark/light transitions. To characterise the cellular and molecular machinery linking light reception and oocyte maturation initiation, I have studied the hydrozoan jellyfish Clytia hemisphaerica. My thesis work had three parts, each involving the identification of a key molecular component of this process.My initial study was part of a collaboration with N. Takeda (Asamushi) and R. Deguchi (Sendai), who identified the endogenous oocyte Maturation-Inducing Hormones (MIH) in Clytia as WPRPamide-related tetrapeptides, generated by cleavage of two neuropeptide precursors. I showed by in situ hybridization and immunofluorescence that Clytia MIH is produced by neurosecretory cells of the gonad ectoderm that co-express the two precursor genes, and that it is secreted upon light stimulation. This study paved the way for identification of regulators acting upstream and downstream of MIH release in the gonads, specifically the ones involved in photoreception in the gonad ectoderm, and in MIH reception by the oocytes. To identify the Clytia MIH receptor (CheMIHR) in the oocytes, I compiled a shortlist of 16 candidate G protein-coupled receptors (GPCRs) from gonad transcriptome data. I cloned all 16 cDNAs and, using a cell culture-based "GPCR deorphanization" assay (collaboration with P. Bauknecht and G. Jékély; MPI, Tübingen), identified one GPCR that was activated by synthetic MIH peptides. Its in vivo function as the essential MIH receptor was confirmed by CRISPR/Cas9 gene editing. Introduction of a frame-shift mutation in the CheMIHR gene impaired growth of Clytia polyp colonies and also the spawning behaviour of mature medusae. Confirming the function of CheMIHR, oocyte maturation in CheMIHR mutants could not be triggered by light or by synthetic MIH, but could be restored using cell-permeable analogues of cAMP, known to act downstream of MIH reception in hydrozoan oocytes. Phylogenetic analyses showed that Clytia MIHR is related to a subset of bilaterian neuropeptide hormone receptor families involved in diverse physiological processes, including regulation of reproduction. Accordingly, in situ hybridization showed the expression of Clytia MIH precursors and MIHR in non-gonadal neural cells, suggesting a wider role of Clytia MIH-MIHR besides oocyte maturation initiation.To address gonad photoreception, I showed that Clytia spawning is selectively induced by blue-cyan light, and then identified using gonad transcriptome data an opsin photopigment (Opsin9) highly expressed in the ectoderm. Strikingly, in situ hybridization showed that Opsin9 is expressed in the MIH-secreting cells. Introduction of a frame-shift mutation into the Opsin9 gene via CRISPR/Cas9 prevented oocyte maturation and spawning of mutant jellyfish in response to light. Anti-MIH immunofluorescence and rescue experiments with synthetic MIH showed that the essential function of Opsin9 is upstream of MIH release. Spawning in Clytia thus appears to be regulated by a dual function photosensory-neurosecretory cell type, perhaps retained from a distant metazoan ancestor...

Ce travail est consacré à l'étude de la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques, en vue du développement d'une méthode de biopsie optique pour la détection précoce du cancer des organes creux. D'un point de vue théorique nous avons développé un modèle permettant de rendre compte de la diffusion de la lumière dans un système multistratifié, hétérogène, diffusant, dont la géométrie est proche de celle des tissus biologiques. Ce modèle est basé sur la résolution de l'Equation de Transfert Radiatif Vectorielle (ETRV) par la méthode des Ordonnées Discrètes. Il permet de calculer la répartition angulaire et les variations spectrales de la lumière diffusée suivant différents états de polarisation. Nos simulations du processus de cancérisation à l'intérieur d'un tissu épithélial ont montré que l'on peut espérer distinguer un tissu sain d'un tissu cancéreux à partir de l'analyse de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière diffusée en fonction de sa direction de diffusion. L'élément morphologique discriminant étant le doublement de la taille du noyau des cellules, principal diffuseur de la lumière, dans le tissu dysplasique. D'un point de vue expérimental nous avons réalisé des mesures de diffusion de lumière sur des échantillons école (lait et intralipides) à l'aide d'un gonio-spectro-photomètre construit au laboratoire. Elles ont permis la validation de notre modèle. Dans la continuité de ces expériences nous avons étudié des tissus reconstitués dont les cellules présentaient des tailles de noyaux différentes et des peaux de souris dont l'une présentait vraisemblablement un début de tumeur. Les résultats de ces mesures sont en accord quantitatif (pour les tissus de culture) et qualitatif (pour les essais préliminaires sur la peau de souris) avec les prédictions du modèle. Ils sont encourageants pour poursuivre notre étude de la diffusion élastique de la lumière comme outil de diagnostic.

De nombreux processus industriels mettent en œuvre des suspensions solides-liquides (eg : les peintures). Ces suspensions, constituées initialement de particules primaires solides, contiennent de nombreux agrégats modifiant leurs propriétés d'usage. Les méthodes de caractérisation de ces suspensions font intervenir la diffusion de la lumière (théorie de Mie). Or, la théorie de Mie (1908) est rarement applicable aux problèmes pratiques puisque l'objet diffusant doit être une sphère. Les granulomètres traditionnels qui utilisent cette théorie, ne permettent pas de mesurer les agrégats. Une extension de cette dernière, aux agrégats, a été donnée par Xu (1995-2003) : GMM (Generalized Multiparticle Mie solution). Mais les temps de calcul des propriétés optiques via cette théorie (exacte) ne permettent pas d'envisager dans l'immédiat une utilisation en temps réel. Ce sujet de thèse s'est donc orienté sur la recherche de méthodes approchées pour les propriétés optiques d'agrégats de particules sphériques non absorbantes.<br /><br />Dans un premier temps, l'étude des paramètres influençant les sections efficaces de diffusion (Csca) et de radiation de pression (Cpr) d'agrégats obtenues avec la méthode exacte, a révélé:<br />- que les différentes configurations d'un agrégat suivant sa forme ou le nombre de particules primaires qu'il contient sont parfaitement discernables, <br />-que le nombre de particules primaires est le paramètre pertinent dans le cas des faibles paramètres de taille  ( ),<br />- qu'il existe, pour un agrégat constitué d'un nombre donné de particules primaires, deux configurations extrêmes (chaîne et compacte) entre lesquelles les sections efficaces des autres évoluent.<br /><br />Par la suite, il a été évalué vis-à-vis de la méthode exacte, sept méthodes approchées (choisies en fonction des remarques précédentes) permettant d'obtenir la section efficace de diffusion : <br />- les méthodes assimilant l'agrégat à une sphère compacte (SC) ou creuse (SP) sont inappropriées<br />- les méthodes utilisant une dimension fractale sont quant à elles peu concluantes sur des agrégats contenant un faible nombre de particules primaires. <br />- la méthode PBK (Percival-Berry-Khlebtsov) est valable pour avec une erreur qui augmente avec l'indice du matériau.<br />- la méthode DA (ou DAr, Diffraction Anormale) est correcte pour et est moins sensible à l'augmentation de l'indice de réfraction.<br />- la méthode IRE (Indice de Réfraction Effectif), est la méthode approchée pouvant être envisagée sur l'ensemble des paramètres de taille et a fait l'objet d'une étude complémentaire (fonction de correction, forme de l'objet équivalent).

Le but de cette thèse est de caractériser un continuum généré en régime femtoseconde dans une fibre microstructurée (puissance spectrale, durée des pulses, fluctuations tir à tir) et de valider son utilisation comme source optique dans des instrumentations dédiées aux domaines biologique et clinique.<br />La première application est l'élaboration d'un microscope confocal de fluorescence entièrement versatile en longueur d'onde : le continuum, filtré par un cristal acousto-optique, est ainsi utilisé comme une source accordable permettant l'excitation de n'importe quel fluorophore. Des images de cellules identifiées par différents marqueurs ont été réalisées.<br />Afin de disposer d'un outil alliant une grande versatilité spectrale à une très haute résolution spatiale, le dispositif précédent a été modifié en un microscope STED. Notre continuum est trop peu énergétique pour apporter une validation expérimentale, mais des simulations numériques prenant en compte les fluctuations du continuum permettent d'estimer que la résolution latérale peut atteindre 90 nm, voire 35 nm pour les pulses les plus puissants.<br />La troisième application est l'utilisation du continuum en tant que source large bande pulsée pour une expérience de spectroscopie de temps de vol dans les milieux diffusants tels le muscle, l'os, la moelle osseuse. Grâce à un modèle adapté de propagation de la lumière, les coefficients d'absorption, de diffusion et d'anisotropie des tissus ont été extraits des traces expérimentales, avec d'autant plus de précision que la plage spectrale utilisée est grande.<br />Même si des améliorations sont attendues, l'emploi de continua en microscopie de fluorescence et en spectroscopie est validé.

Cette recherche a pour objet l'élaboration et l'évaluation d'un outil d'enseignement du mécanisme optique de la vision fondé sur l'histoire des théories de la vision reconstruite selon une approche rationnelle. Une analyse des raisonnements d'enfants de maternelle et d'élèves de 4e avant enseignement d'optique à propos de la vision permet de caractériser les difficultés liées au savoir concerné : associer la vision à l'entrée de la lumière dans l'œil. Les élèves interrogés n'associent l'entrée de la lumière dans l'œil qu'à l'éblouissement, situation où la vision est impossible. Ils expliquent la vision soit dans un sens œil-objet soit dans un sens objet-œil (partie 1). L'histoire antique et médiévale est témoin d'idées analogues : comme les élèves, les savants s'opposent sur le sens de la vue. En traitant la lumière de façon quantitative, Alhazen ouvre la voie à un consensus et propose dès le 11e siècle de considérer la lumière comme un stimulus de la vue (partie 2). L'outil d'enseignement proposé est construit en référence au cheminement historique : il intègre la controverse du sens de la vue et la solution quantitative d'Alhazen. Ces idées constituent la trame d'un texte (un dialogue) présenté à des élèves de 4e avant enseignement, lors d'entretiens en binômes, en respectant un scénario didactique approprié. L'analyse de ces entretiens montre que le processus d'apprentissage est favorisé par l'identification des élèves aux savants mis en scène, et indique une prise de conscience de leur acte cognitif qui profite de l'approche quantitative (partie 3). Un transfert de cette modalité d'enseignement à d'autres domaines de la physique semble envisageable (annexes).

Les modèles de lumière simulent l'éclairement sous couvert à partir de la caractérisation géométrique des houppiers. Nous avons cherché dans ce travail à minimiser le jeu de données nécessaire. Nous avons alimenté le modèle de lumière tRAYci dans un peuplement feuillu hétérogène. Nous avons établi des relations entre les variables caractéristiques du houppier et diamètre à 1,30 m des arbres. Nous avons élaboré un algorithme pour reconstruire l'extension latérale du houppier d'un arbre en tenant compte de ses voisins à partir de son essence, son diamètre à 1,30 m et sa position. Nous avons comparé cette méthode de reconstruction anisotrope à une méthode isotrope, du point de vue la qualité de la distribution de l'éclairement obtenue. Seule l'approche anisotrope a permis d'obtenir une simulation non biaisée. Nous avons aussi testé des indices dendrométriques basés sur la distribution de la surface terrière, mais ils se sont montrés incapables de prédire la distribution de l'éclairement.

Nous avons mis en évidence expérimentalement différents aspects dynamiques qui traduisent les changements de structure dans les microémulsions. A très faible teneur en phase dispersée, nos systèmes ont été étudiés par diffusion de lumière avec un modèle de gouttelettes dispersées en interactions. A plus forte concentration, l'agrégation macroscopique liée aux interactions attractives entre gouttelettes est observée par des mesures de conductivité électrique.Par des mesures d'effet Kerr (statique et dynamique), on a étudié et analysé ce processus d'agrégation transitoire à une échelle microscopique qui correspond dans son premier stade à la formation de dimères de gouttelettes. Enfin, à une échelle moléculaire en R.M.N., des mesures de coefficient d'autodiffusion testent les échanges de constituants lors de chocs entre gouttelettes. D'autre part, l'étude d'un système où l'on passe d'une microémulsion eau dans huile à huile dans eau montre que dans la situation intermédiaire la structure est bicontinue.

Certains matériaux ont des modes électromagnétiques confinés à leur surface, qui se<br />propagent le long de celle-ci. Ces modes, qui sont appelés ondes de surface, peuvent être couplés à des ondes propagatives à l'aide d'un réseau.<br />Nous avons utilisé un code de calcul électromagnétique exact, basé sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA), pour optimiser des structures périodiques dont les dimensions sont de l'ordre ou inférieures au micron. Nous avons ainsi conçu des micro ou nanostructures pour deux types d'applications : l'émission thermique cohérente, et la transmission résonante.<br />En émission, nous avons optimisé des sources thermiques émettant un rayonnement<br />quasi-monochromatique dans une direction privilégiée de l'espace ou bien dans toutes les directions. Nous avons de plus conçu, dimensionné et mis en place un montage de mesure de l'émissivité de telles sources. Nous avons pu retrouver de manière quantitative les résultats que nous avons obtenus numériquement, puis déterminer expérimentalement la longueur de cohérence spatiale de la source.<br />Le second axe de cette thèse a été consacré à la transmission résonante. Nous avons<br />mis en évidence les mécanismes de transmission de structures métalliques en montrant l'existence de modes propres de ces structures qui sont des modes couplant modes de surface et modes de cavité. En remontant aux caractéristiques de ces modes, nous pouvons en particulier retrouver toutes les caractéristiques des pics de transmission, hauteur, largeur et position. Nous avons par ailleurs montré que des effets analogues apparaissent pour des réseaux de cristaux polaires. Finalement, des études de transmission résonante par des cristaux 2D ont montré que des modes d'ordre élevé peuvent être fortement transmis. Ces modes sont faiblement couplés à des ondes planes mais peuvent se coupler fortement à des particules ou molécules.