Dans le domaine de l'inspection visuelle automatique de circuits intégrés, le contraste des images est un paramètre important. La méthode d'optimisation proposée utilise l'effet des variations de réflexion optique en fonction de la longueur d'onde pour les structures de couches minces. Elle consiste a déterminer le filtrage en longueur d'onde optimisant un "facteur de qualité" de l'image (taux de la dynamique de la camera) à partir des spectres de réflexion des différentes structures présentés sur la plaquette. L'étude est limitée au cas des circuits intégrés à 2 structures, mais l'extension a un nombre quelconque est possible. Les différents moyens d'obtention des spectres de réflexion sont précisés. Des mesures photométriques démontrent la fiabilité de la méthode proposée. Un appareillage optique original permet l'application dans le cadre d'une machine d'inspection automatique

La présence de polymères flexibles de grande masse molaire modifie de manière spectaculaire les écoulements de solution même en régime dilué. Il y a un couplage fortement non linéaire entre le champ de vitesse de la solution et la conformation microscopique des chaînes de polymères. Ce couplage est le plus efficace en écoulement élongationnel. Cette thèse porte sur l'étude de ce couplage, et sur les moyens de corréler les contraintes élongationnelles macroscopiques avec l'observation de la microstructure. Le détachement d'une goutte de solutions d'ADN (un biopolymère pouvant être visualisé) en solvant visqueux est ralenti par la formation d'un filament. La dynamique d'amincissement du filament, observée avec une caméra rapide, se déroule à taux d'élongation constant. Cela permet la mesure de la viscosité élongationnelle très élevée de ces solutions. Cette mesure a lieu dans l'air et dans un fluide d'immersion suffisamment peu visqueux. Il est possible de visualiser l'ADN par microscopie de fluorescence, mais pas au sein d'un filament cylindrique entouré d'air. On immerge l'échantillon pour adapter l'indice et faire disparaitre l'interface courbe. Plusieurs méthodes de correction (notamment la réalisation d'un objectif de microscope spécifique) sont étudiées pour pallier aux très fortes aberrations optiques qui empêchent l'observation de l'ADN. De plus, les effets de la transition de déroulement et de la viscosité élongationnelle sont aussi étudiés au sein d'écoulements microfluidiques à dominante élongationnelle.

Cette étude est consacrée à la dynamique ultralente et non - stationnaire d'un gel de vésicules multi lamellaires, dit oignons. Nous avons développé un expérience basée sur l'observation du système par microscopie optique et utilisé un ensemble de techniques d'analyse d'images, qui permettent de déterminer un champ de déplacement "coarse grained" au sein de l'échantillon. A partir des champs de déplacement obtenus lors d'expériences à température imposée, nous avons montré que le système présentaient des élongations et contractions d'ensemble, stationnaires et induites par des petites fluctuations de température expérimentalement inévitables, ainsi qu'une dynamique interne hétérogène spatialement et temporellement. <br />Nous avons démontré que la dynamique interne suit une loi de vieillissement exponentiel et que la température, et plus particulièrement ses fluctuations, semble jouer un rôle important en tant que "moteur" des réarrangements du système par le biais des sollicitations mécaniques imposées par les élongations/contractions. En nous intéressant à la fois à la structure temporelle et spatiale des déplacements, nous avons vu que deux types d'évènements ont lieu au sein du système. Tout d'abord des cisaillements, réversibles et orientés selon l'axe longitudinal du capillaire contenant l'échantillon, sont induits par les fluctuations de température de manière intermittente. Simultanément, d'autres évènements prennent place que nous avons pu montrer être irréversibles et correspondent à une évolution balistique du déplacement avec le temps. Pour les deux types d'évènements, nous avons montré que les réarrangements au sein du système sont corrélés sur de longues distances environ 1000 fois supérieures à la taille typique des vésicules.

Les plasmons de surface (SP) sont des modes du champ électromagnétique confinés à l'interface entre un métal et un diélectrique. De par leur nature hybride, les SP permettent de concentrer et manipuler la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Ces propriétés sans précédent suscitent un grand intérêt, en particulier pour le transport et le traitement de l'information quantique mais aussi pour le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents. Les études présentées dans ce manuscrit s'intéressent au couplage de nanostructures plasmoniques avec des nanoparticules luminescentes. L'outil utilisé est un microscope optique en champ proche (SNOM) dans lequel la nano-source de lumière est un nano-objet fluorescent attaché en bout de pointe (sonde active). Cette technique permet à la fois d'augmenter la résolution théorique accessible en SNOM mais aussi de positionner la sonde avec une précision nanométrique et de l'exciter directement grâce à la lumière laser injectée dans la fibre optique. En utilisant uniquement la lumière émise par l'objet, ces pointes ouvrent la voie à des études originales en nano-optique et en plasmonique. Dans ce travail de thèse, deux aspects distincts ont été abordés. D'une part, nous avons étudié les propriétés des plasmons de surface dans le régime de la plasmonique quantique en utilisant pour cela une sonde active fabriquée à base d'un émetteur de photons uniques, le centre NV (nitrogen-vacancy) contenu dans les nano-diamants. Les résultats fondamentaux obtenus sur ce système permettent d'envisager de nombreuses expériences en plasmonique quantique. D'autre part, le travail de développement des sondes actives à base de nanocristaux de YAG (yttrium-aluminum garnet) dopés au cérium a été poursuivi. Ces sondes nous ont permis de démarrer de nouvelles études sur les résonances plasmoniques localisées de particules colloïdales en or.

La technique de microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) permet l’observation directe de couches moléculaires. Notre objectif global est d’exploiter cette possibilité pour étudier la structure d’équilibre de domaines amphiphiles d’épaisseur nanométrique et d’étendue finie (quelques microns) déposés sur une surface solide. Ces domaines subissent une pression de Laplace importante, qui dépend de leur rayon R comme 1/R. Cette pression agit sur ces systèmes 2D comme une contrainte externe qu’on peut moduler en faisant varier la taille des domaines. La mesure de leur épaisseur en fonction de leur taille est donc une façon d’explorer les isothermes de ces systèmes, ce qui est le pendant pour des systèmes supportés des études effectuées au moyen d’une cuve de Langmuir sur les monocouches à la surface de l’eau. Idéalement, ces domaines se réduisent à une simple monoou bicouche. En pratique, ils adoptent souvent la forme de ziggourats constitués de plusieurs étages (gouttes terrassées). Le travail présenté dans cette thèse est une première étape dans la démarche évoquée ci-dessus. Il a permis de mettre en évidence pour la première fois les effets de la tension de Laplace sur la structure de domaines bicouches. L’étude est réalisée à l’aide de molécules amphiphiles de natures très différentes : 1) des copolymères à blocs symétriques, 2) des phospholipides. Elle exige la maîtrise du dépôt, de l’environnement et de l’évolution de nano-gouttes smectiques sur une surface, et le développement d’outils d’analyse adaptés. Elle implique principalement deux techniques : la Microscopie à Force Atomique (AFM) et la microscopie optique en contraste SEEC. / La technique de microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) permet l’observation directe de couches moléculaires. Notre objectif global est d’exploiter cette possibilité pour étudier la structure d’équilibre de domaines amphiphiles d’épaisseur nanométrique et d’étendue finie (quelques microns) déposés sur une surface solide. Ces domaines subissent une pression de Laplace importante, qui dépend de leur rayon R comme 1/R. Cette pression agit sur ces systèmes 2D comme une contrainte externe qu’on peut moduler en faisant varier la taille des domaines. La mesure de leur épaisseur en fonction de leur taille est donc une façon d’explorer les isothermes de ces systèmes, ce qui est le pendant pour des systèmes supportés des études effectuées au moyen d’une cuve de Langmuir sur les monocouches à la surface de l’eau. Idéalement, ces domaines se réduisent à une simple monoou bicouche. En pratique, ils adoptent souvent la forme de ziggourats constitués de plusieurs étages (gouttes terrassées). Le travail présenté dans cette thèse est une première étape dans la démarche évoquée ci-dessus. Il a permis de mettre en évidence pour la première fois les effets de la tension de Laplace sur la structure de domaines bicouches. L’étude est réalisée à l’aide de molécules amphiphiles de natures très différentes : 1) des copolymères à blocs symétriques, 2) des phospholipides. Elle exige la maîtrise du dépôt, de l’environnement et de l’évolution de nano-gouttes smectiques sur une surface, et le développement d’outils d’analyse adaptés. Elle implique principalement deux techniques : la Microscopie à Force Atomique (AFM) et la microscopie optique en contraste SEEC.

Cette thèse porte sur la définition d'un schéma de recalage automatique en microscopie corrélative 2D et 3D, en particulier pour des images de microscopie optique et électronique (CLEM). Au cours des dernières années, la CLEM est devenue un outil d'investigation important et puissant dans le domaine de la bio-imagerie. En utilisant la CLEM, des informations complémentaires peuvent être collectées à partir d'un échantillon biologique. La superposition des différentes images microscopiques est généralement réalisée à l'aide de techniques impliquant une assistance manuelle à plusieurs étapes, ce qui est exigeant et prend beaucoup de temps pour les biologistes. Pour faciliter et diffuser le procédé de CLEM, notre travail de thèse est axé sur la création de méthodes de recalage automatique qui soient fiables, faciles à utiliser et qui ne nécessitent pas d'ajustement de paramètres ou de connaissances complexes. Le recalage CLEM doit faire face à de nombreux problèmes dus aux différences entre les images de microscopie électronique et optique et leur mode d'acquisition, tant en termes de résolution du pixel, de taille des images, de contenu, de champ de vision et d'apparence. Nous avons conçu des méthodes basées sur l'intensité des images pour aligner les images CLEM en 2D et 3D. Elles comprennent plusieurs étapes : représentation commune des images LM et EM à l'aide de la transformation LoG, pré-alignement exploitant des mesures de similarité à partir d'histogrammes avec une recherche exhaustive, et un recalage fin basé sur l'information mutuelle. De plus, nous avons défini une méthode de sélection robuste de modèles de mouvement, et un méthode de détection multi-échelle de spots, que nous avons exploitées dans le recalage CLEM 2D. Notre schéma de recalage automatisé pour la CLEM a été testé avec succès sur plusieurs ensembles de données CLEM réelles 2D et 3D. Les résultats ont été validés par des biologistes, offrant une excellente perspective sur l'utilité de nos développements. / This thesis is concerned with the definition of an automated registration framework for 2D and 3D correlative microscopy images, in particular for correlative light and electron microscopy (CLEM) images. In recent years, CLEM has become an important and powerful tool in the bioimaging field. By using CLEM, complementary information can be collected from a biological sample. An overlay of the different microscopy images is commonly achieved using techniques involving manual assistance at several steps, which is demanding and time consuming for biologists. To facilitate and disseminate the CLEM process for biologists, the thesis work is focused on creating automatic registration methods that are reliable, easy to use and do not require parameter tuning or complex knowledge. CLEM registration has to deal with many issues due to the differences between electron microscopy and light microscopy images and their acquisition, both in terms of pixel resolution, image size, content, field of view and appearance. We have designed intensity-based methods to align CLEM images in 2D and 3D. They involved a common representation of the LM and EM images using the LoG transform, a pre-alignment step exploiting histogram-based similarities within an exhaustive search, and a fine mutual information-based registration. In addition, we have defined a robust motion model selection method, and a multiscale spot detection method which were exploited in the 2D CLEM registration. Our automated CLEM registration framework was successfully tested on several real 2D and 3D CLEM datasets and the results were validated by biologists, offering an excellent perspective in the usefulness of our methods.

La compréhension des mécanismes impliqués dans les cas sains, les maladies neurodégénératives ainsi que le développement de nouvelles approches thérapeutiques repose sur l’utilisation de modèles expérimentaux pertinents et de techniques d’imagerie adaptées. Dans ce contexte, la microscopie virtuelle offre la possibilité unique d’analyser ces modèles à l’échelle cellulaire avec une très grande variété de marquages histologiques. Mon projet de thèse consiste à mettre en place et à appliquer une méthode d’analyse d’images histologiques en couleur permettant de segmenter et de synthétiser l’information relative aux neurones à l’aide de l’anticorps NeuN sur des coupes de cerveau de macaque. Dans ce travail, nous appliquons d’abord la méthode de Random Forest (RF) pour segmenter les neurones ainsi que le tissu et le fond. Ensuite, nous proposons une méthode originale pour séparer les neurones qui sont accolés afin de les individualiser. Cette méthode s’adapte à l’ensemble des neurones présentant une taille variable (diamètre variant entre 5 et 30 μm). Elle est également efficace non seulement pour des régions dites « simples » caractérisées par une faible densité de neurones mais aussi pour des régions dites « complexes » caractérisées par une très forte densité de plusieurs milliers de neurones. Le travail suivant se concentre sur la création de cartes paramétriques synthétisant la morphologie et la distribution des neurones individualisés. Pour cela, un changement d’échelle est mis en œuvre afin de produire des cartographies présentant des résolutions spatiales plus faibles (résolution originale de 0,22 μm et cartographies créées proposant une résolution spatiale adaptative de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres). Plusieurs dizaines de paramètres morphologiques (rayon moyen, surface, orientation, etc.) sont d’abord calculés pour chaque neurone ainsi que des paramètres colorimétriques. Ensuite, il est possible de synthétiser ces informations sous la forme de cartes paramétriques à plus basse résolution à l’échelle de régions anatomiques, de coupes voire, à terme, de cerveaux entiers. Cette étape transforme des images microscopiques qualitatives couleur en images mésoscopiques quantitatives, plus informatives et plus simples à analyser. Ce travail permet d’analyser statistiquement de très grands volumes de données, de synthétiser l’information sous la forme de cartographies quantitatives, d’analyser des problèmes extrêmement complexes tels que la mort neuronale et à terme de tester de nouveaux médicaments voire de confronter ces informations acquises post mortem avec des données acquises in vivo. / Understanding the mechanisms involved in healthy cases, neurodegenerative diseases and the development of new therapeutic approaches is based on the use of relevant experimental models and appropriate imaging techniques. In this context, virtual microscopy offers the unique possibility of analyzing these models at a cellular scale with a very wide variety of histological markers. My thesis project consists in carrying out and applying a method of analyzing colored histological images that can segment and synthesize information corresponding to neurons using the NeuN antibody on sections of the macaque brain. In this work, we first apply the Random Forest (RF) method to segment neurons as well as tissue and background. Then, we propose an original method to separate the touching or overlapping neurons in order to individualize them. This method is adapted to process neurons presenting a variable size (diameter varying between 5 and 30 μm). It is also effective not only for so-called "simple" regions characterized by a low density of neurons but also for so-called "complex" regions characterized by a very high density of several thousands of neurons. The next work focuses on the creation of parametric maps synthesizing the morphology and distribution of individualized neurons. For this purpose, a multiscale approach is implemented in order to produce maps with lower spatial resolutions (0.22 μm original resolution and created maps offering adaptive spatial resolution from a few dozens to a few hundred of micrometers). Several dozens of morphological parameters (mean radius, surface, orientation, etc.) are first computed as well as colorimetric parameters. Then, it is possible to synthesize this information in the form of lower-resolution parametric maps at the level of anatomical regions, sections and even, eventually, the entire brains. This step transforms qualitative color microscopic images to quantitative mesoscopic images, more informative and easier to analyze. This work makes it possible to statistically analyze very large volumes of data, to synthesize information in the form of quantitative maps, to analyze extremely complex problems such as neuronal death, to test new drugs and to compare this acquired information post mortem with data acquired in vivo.

Les sources de paires de photons corrélés sont des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. La fibre étirée possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur une longueur de quelques centimètres. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication.Dans cette thèse, nous présentons donc une conception d’une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée à base de fibres standard de télécommunications (SMF28) étirées. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre en silice.Nous avons développé une technique de mesure par microscopie optique, qui permet de mesurer tout le profil de la fibre étirée avec une résolution nanométrique bien au-delà de la limite de diffraction.En parallèle, nous avons modélisé la susceptibilité non linéaire de surface de second ordre en prenant en compte l’aspect vectoriel de la propagation du champ optique dans une microfibre à deux ou trois couches. Dans un second temps, nous définissons les accords de phase modaux qui sont nécessaires pour l’obtention d’une forte fluorescence paramétrique. Nous dimensionnons cette nanofibre pour une bonne optimisation de l’efficacité de génération des paires. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé. / Sources of correlated photon pairs are key components required for quantum telecommunications networks. Implementing these sources directly with optical fibers minimizes the insertion losses. We propose to design such a source from a tapered optical fiber.The tapered fiber has a diameter lower than 500 nm over a length of a few centimeters. The small diameter of the tapered section favors the non-linear effects, while the unstretched sections make it possible to connect this tapered fiber with the fibers of the telecommunication networks with very low losses.In this thesis, we present a design of a new source, fully fibered of correlated photons based on standard telecommunications tapered fibers (SMF28). To produce these pairs of photons we will use the parametric fluorescence due to symmetry breaking at the surface of a silica nanofiber.We have developed an optical microscopy measurement technique to measure all the profile of tapered fibers with nanometer resolution far beyond the diffraction limit.In parallel, we modeled the second-order nonlinear surface susceptibility by taking into account the vector aspect of the propagation of the optical field in a two or three-layered microfiber. In a second step, we define modal phase matchings that are necessary to obtain a strong parametric fluorescence. We size this nanofiber for a good optimization of pairs generation efficiency. The entire process of photon creation will be modeled.

Les nanostructures et les cristaux photoniques en particulier ont enrichi les possibilités de l'optique guidée : guides d'onde de tailles submicroniques, virages à angle droit, cavités résonnantes, fibres. Associés aux guides d'onde traditionnels, ils devraient permettre une intégration d'un nombre croissant de fonction sur le composant : adressage, filtrage spectral, traitement du signal, capteurs... Cependant, la fabrication de telles structures reste un défi technologique, notamment à cause de la parfaite homogénéité ainsi que de la taille nanométrique des gravures qu'elle nécessite. Dans cette thèse, après en avoir déterminé les différents paramètres par calcul de bande et FDTD, nous proposons deux méthodes de fabrication de nanostructures associées à des guides d'onde basées sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Une première méthode permet la gravure des nanostructures par FIB seul, une seconde combine l'action du FIB et de la RIE. Les structures sont réalisées sur des substrats où ont été préalablement déposés les guides d'onde. La fabrication a été validée pour une structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 déposée sur un substrat de Silicium. Des résultats partiels ont été obtenus pour le niobate de lithium, qui est un matériau difficile à nanostructurer par les méthodes habituelles. Enfin un microscope en champ proche optique de type SNOM a été développé dans le but de caractériser les nanostructures, cette méthode étant imposée par le fort confinement de la lumière.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.