L'imagerie préclinique regroupe les méthodes d'imagerie permettant de faire une étude des processus biologiques in vivo et de manière non-invasive sur animaux de laboratoire. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une de ces méthodes. Elle utilise des molécules marquées par des émetteurs de positrons afin de pouvoir mesurer la biodistribution in vivo de ces molécules. Cependant, l'imagerie TEP est limitée à la détection de molécules marquées dans un organisme et n'offre pas toujours de référentiel suffisamment précis pour indiquer leur position exacte relativement aux organes et aux tissus internes. Le but du scanneur de profilométrie tridimensionnel (SPT) est donc de fournir un modèle 3D du contour de l'organisme qui sera superposé aux images TEP. Ce mémoire porte sur le développement de l'appareil et son installation sur le LabPET, un appareil d'imagerie TEP pour souris et rats de laboratoire développé au le Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke. Ce mémoire détaille la méthodologie, le développement du matériel de mesure et les algorithmes utilisés pour la conception et la réalisation du SPT ainsi que les résultats obtenus. Une emphase est placée sur l'utilisation d'une bipyramide à base triangulaire afin d'obtenir une méthode de calibrage flexible permettant de calibrer simultanément les multiples systèmes d'acquisition du SPT et leur fournir un même référentiel unique.

Les techniques de reconstruction de formes tridimensionnelles sont très largement utilisées dans de nombreux domaines, et notamment dans le domaine industriel ou médical. Et dans ces domaines, les techniques de mesure sans contact sont particulièrement étudiées, principalement parce qu'elles permettent de ne pas détériorer l'objet mesuré. Ce travail de thèse se place donc dans ce contexte et plus particulièrement dans le cas des dispositifs endoscopiques de mesure tridimensionnelle de surface par moyen optique. Dans le domaine médical, ce type d'instrument peut être appliqué à la coloscopie 3D ou à la chirurgie mini-invasive pour la détection de forme en surface de tissus biologiques. Dans cette thèse ce sont plus particulièrement les méthodes à base de stéréovision active ou passive, qui vont être étudiées et intégrées dans un dispositif miniaturisé. Différents modes de mesure vont être intégrés simultanément dans un unique instrument miniaturisé afin de permettre d'augmenter les performances de mesure : l'instrument peut adapter son principe de mesure à la texture de l'objet ou également à l'orientation des surfaces mesurées et plus généralement au contexte de la mesure. Ce travail de thèse est donc basé sur une étude algorithmique et instrumentale d'intégration de ces différents modes de mesure dans un unique instrument endoscopique miniaturisé. L'étude des modes de mesure par stéréovision a été réalisée en trois phases. Tout d'abord, c'est l'influence de l'orientation de la surface des objets mesurés dans un cas de stéréovision active qui est analysé. Puis une technique de basculement entre les voies de projection et d'acquisition du système de stéréovision active par actionnement bistable est proposé, ce qui permet d'adapter la mesure à l'orientation des surfaces à mesurer. Enfin, l'étude est orientée vers la possibilité de basculer d'un mode de stéréovision active vers un mode de stéréovision passive, toujours par actionnement bistable, le mode de stéréovision passive étant particulièrement adapté aux objets fortement texturés. Ainsi, trois modes de mesure sont réalisés dans ce nouveau système : deux modes de stéréovision active (avec inversion des voies de capture et de projection) et un mode de stéréovision passive. Pour réaliser la reconstruction tridimensionnelle, deux méthodes actives (par décalage de phase et par transformation de Fourier) et une méthode passive sont étudiées. Différentes performances de mesure sont obtenues selon les méthodes sélectionnées : un résultat de mesure plus précis est obtenu par les méthodes à. décalage de phase, une vitesse de mesure plus élevée est obtenu par les méthodes à transformée de Fourier ou par les méthodes passives. Le développement instrumental est également décrit dans cette thèse. Après modélisation optique et conception mécanique du système de mesure, un prototype de l'instrument endoscopique est fabriqué avec divers équipements spécifiques, tels qu'un DMD (Digital Micromirror Device), des guides d'images et des actionneurs électromagnétiques bistables. La validation expérimentale de la mesure tridimensionnelle est réalisée essentiellement sur objets mécaniques (du type mesure de détails sur pièce de monnaie), les deux méthodes actives et la méthode passives sont ainsi testées et confrontées. Enfin, une mesure sur un colon artificiel est réalisée par ce système pour se placer dans un contexte applicatif médical. / The techniques of three dimensional shapes reconstruction are widely used in many fields, particularly in the industrial or medical field. And in these areas, non-contact measurement techniques are particularly studied, mainly because they don't damage the measured object. This work therefore falls within this context and in particular in the case of endoscopic devices of surface coordinate measuring by optical methods. ln the medical field, this type of instrument can be applied to 3D colonoscopy or minimally invasive surgery to the surface in the form of biological tissues. In this thesis, methods based on active or passive stereo vision are the principle, which will be studied and integrated into a miniaturized device. Different measurement modes will be incorporated simultaneously into a single miniaturized instrument to help increase measurement performance: the instrument can adjust its measurement principle to the texture of the object or also to the orientation of measured surfaces more generally to the context of the measurement. This thesis is based on an algorithmic study and instrumental integration of these different measurement modes into a single miniaturized endoscopic instrument. The study of the measurement modes stereovision was conducted in three phases. First, it is the influence of the orientation of the measured objects' surface in a case of active stereovision being analyzed. And a technique of switching between the projection and acquisition in an active stereovision system by bistable actuation is proposed, which allows to adapt the measurement to the orientation of the measured surfaces. Finally, the study is oriented towards the ability to switch from one active stereovision mode to one passive stereovision mode, always by bistable actuator operation, the passive stereovision mode is particularly suitable for highly textured objects. Thus, three measurement modes are made in the new system: two modes of active stereovision (reversing capture and projection channels) and a mode of passive stereovision. To achieve three-dimensional reconstruction, two active methods (phase shift and Fourier Transform) and a passive method are studied. Different performance measurements are obtained according to methods selected: a more accurate measuring result is obtained by the phase shift methods; a high measurement speed is obtained by the Fourier transform methods or by passive methods. The instrumental development is also described in this thesis. After optical modeling and mechanical design of the measuring system, a prototype of the endoscopic instrument is manufactured with various specific devices such as a DMD (Digital Micromirror Deviee),images guides and bistable electromagnetic actuators. The experimental validation of the three-dimensional measurement is performed mainly on mechanical objects (such as details measurement on a coin), both active and passive method methods are well tested and compared. Finally, an artificial colon is measured by this system to be placed in a medical application context.

L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'un instrument de mesure optique dédié à la caractérisation de lentilles à gradient d'indice et d'asphériques de grandes dimensions. Pour parvenir à une caractérisation complète de la structure : variation spatiale de l'indice et de la topographie de surface, nous avons mis en place un banc d'interférométrie spectrale. Ce dispositif conduit à l'observation de spectres cannelés en lumière blanche (faible cohérence temporelle) porteurs d'une information de déphasage spectral entre les deux ondes qui interfèrent. <br />L'originalité de ce travail provient de l'utilisation d'une source supercontinuum de lumière blanche généré par pompage optique dans une fibre microstructurée. Cette source aux performances remarquables en termes de : largeur spectrale, de densité de puissance et de cohérence spatiale, permet d'analyser des composants peu étudiés jusqu'à présent.<br />L'exploitation des interférogrammes enregistrés nécessite la mise en place de traitements numériques adaptés. Ainsi les spectrogrammes périodiques associés aux mesures profilométriques sont traités par une méthode de décalage de phase 7 points, et les spectrogrammes non périodiques correspondant aux mesures de dispersion sont traités par une technique d'analyse simultanée temps-fréquence (transformée en ondelettes) couplée à une méthode d'ajustement de l'intensité par moindres carrés. <br />Les résultats expérimentaux mettent en évidence les différentes possibilités de l'interférométrie spectrale, la mesure de profil de surface avec une résolution nanométrique, la mesure de la variation spectrale de l'indice de groupe avec une résolution de 10-3, et la caractérisation simultanée des aberrations chromatiques et géométriques de systèmes imageurs.

La partie expérimentale de cette thèse porte essentiellement sur l'obtention (par épitaxie par jets moléculaires) et la caractérisation des surfaces d'Au (100), (110), et (111) ainsi que sur l'étude des relaxations d'épitaxies du Ni sur ces trois surfaces. Les substrats utilisés sont des monocristaux commerciaux de MgO et de GaAs qui nécessitent le dépôt préalable d'une fine couche de Fe ou de Co afin de garantir des couches tampon d'Au de bonne qualité cristalline. Le second chapitre s'intéresse aux ségrégations de surface d'équilibre: Cu-Ni et Ni-Pt et hors équilibre (en cours de croissance): As-Au et Au-Ni. Une partie plus théorique permet ensuite de modéliser les interactions atomiques (chapitre 3) dans le système Au-Ni au moyen d'un potentiel ajusté (fonctionnelle des liaisons fortes dans l'approximation du second moment). La relaxation numérique permet d'étudier à 0 K la solution solide Au-Ni (propriétés énergétiques, topologiques et élastiques) ainsi que quelques propriétés des multicouches orientées (111). Les résultats sont confrontés aux expériences disponibles. La lacune de miscibilité de diagramme de phase d'équilibre est bien décrite (chapitre 4) par le potentiel ajusté ou bien en utilisant une méthode ab initio (LMTO). Pour cela, on tient compte de l'entropie vibrationnelle (modèle de Debye) et de l'entropie configurationnelle (approximation CVM). On cherche enfin quelles sont les modifications sur la lacune de miscibilité lorsque l'on impose à la solution solide d'être en parfaite cohérence avec un substrat d'Au.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l'IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

Cette thèse porte sur l’étude numérique et expérimentale de l’utilisation de métamatériaux pour le contrôle des ondes à la surface de l’eau. Dans la première partie, nous avons montré comment focaliser les ondes à la surface de l’eau en utilisant une analogie existant avec des métamatériaux électromagnétiques de permittivité diélectrique quasi nulle qualifiés de ”epsilon-near-zero”. Cela a permis d’adapter le motif de phase à l’interface circulaire entre deux domaines présentant un contraste élevé de profondeur d’eau. L’analogie a donné lieu a un comportement fortement non linéaire des ondes, qui se manifeste par la génération d’une cascade de points focaux associés à des sous-multiples de longueurs d’onde par rapport à l’onde incidente. La deuxième application envisagée des métamatériaux pour les ondes à la surface est de rendre invisible les défauts géométriques d’un guide pour un observateur situé en champ lointain. Dans le premier projet lié au cloaking, des guides d’onde possédant différentes sections transverses ont été analysés. L’efficacité de la bathymétrie, donnée par la cartographie conformationnelle, a été evaluée numériquement en termes de propriétés de diffusion. Dans le second projet, nous avons montré numériquement comment rendre invisible un cylindre qui est décalé de l’axe d’un guide d’onde. Utiliser une bathymétrie de cloaking lisse autour du cylindre permet de reduire de manière significative la dispersion dans une large gamme de frequences. Des experiences réalisées avec des bathymétries conformes aux simulations ont confirmé une augmentation de la transmission par rapport à un scenario de référence avec fond plat. / This thesis presents numerical and experimental results concerning usage of metamaterials for water waves control. Two applications were considered. Firstly, we showed how to focus water waves using analogy to a group of metamaterials called epsilon-near-zero. This allowed to tailor phase pattern at the circular interface between two domains with high contrast in water depth. The analogy resulted in highly nonlinear behaviour of waves, manifested by sub-wavelength cascade of focal spots with respect to the incident wave. The second considered application of metamaterials for water waves was hiding (cloaking) defects in a waveguide from the far-field observer. In the first project, related to cloaking, waveguide with varying cross-sections was analyzed. The efficiency of bathymetry, rendered by conformal mapping, was evaluated in terms of scattering properties. The influence of water waves dispersivity on the cancellation of scattering was also determined. Cloaking properties of the obtained bathymetry were experimentally confirmed using a wave packet characterized by broadband spectrum. In the second project, we showed how to cloak a cylinder that is shifted from the centreline of a waveguide. Smooth cloaking bathymetry surrounding a cylinder was able to significantly reduce the scattering in broad range of frequencies. The experimental counterparts confirmed increase in transmission with respect to a reference case with flat bathymetry. The remainder of the thesis presents novel method for the analysis of fringe profilometry images. Performance of the new method was compared to the Fourier Transform Profilometry. We obtained significant enhancement in spectral capabilities.

Nous avons développé un microscope tomographique diffractif en réflexion, qui permet d’observer la surface d’un échantillon avec une résolution latérale améliorée comparée à un microscope holographique conventionnel. À partir des même données expérimentales (les hologrammes acquis sous différents angles d’illumination), des mesures à haute précision longitudinale peuvent être réalisées sur la surface d’un échantillon purement réfléchissant, par reconstruction du profil de hauteur à partir de la phase. Cette méthode d’imagerie multimodale présente plusieurs avantages comparée aux mesures en holographie interférométrique classique : amélioration de la résolution latérale sur la partie diffractive, déroulement de phase facilité, réduction du bruit cohérent, l’ensemble étant associé à la grande précision longitudinale fournie par les mesures de phase. Nous montrons ces possibilités en imageant divers échantillons minces. / We have developed a tomographic diffractive microscope in reflection, which permits observation of sample surfaces with an improved lateral resolution, compared to a conventional holographic microscope. From the same set of data, high-precision measurements can be performed on the shape of the reflective surface by reconstructing the phase of the diffracted field. doing so allows for several advantages compared to classical holographic interferometric measurements: improvement in lateral resolution, easier phase unwrapping, reduction of the coherent noise, combined with the high-longitudinal precision provided by interferometric phase measurements. We demonstrate these capabilities by imaging various test samples.

Les matrices en carbure de Tungstène et Cobalt (WC‐Co) sont utilisées dans les procédés de frappe à froid de l’acier pour leur exceptionnelle capacité à résister aux phénomènes d’usure. Ces travaux ont pour objectif de mieux comprendre les mécanismes complexes qui entrainent finalement la dérive des matrices vers l’état usé. Cette complexité vient des liens étroits entre la microstructure et les propriétés mécaniques macroscopiques de ces matériaux. Pour la compréhension des mécanismes de dérive vers l’usure, une stratégie de travail en quatre étapes est établie. La première étape est le prélèvement de matrices de frappe, avec différentes durées de vie, directement sur la chaîne de production. La deuxième étape est l’identification de la rhéologie. Elle s’accompagne de la modélisation numérique du procédé de frappe pour calculer le champ des contraintes et des déformations plastiques. La troisième étape est la caractérisation localisée de l’évolution de la surface selon trois axes : les propriétés tribologiques, morphologiques, et mécaniques. On quantifie ainsi la dégradation progressive des conditions de contact corrélée avec une fragilisation des surfaces et la décohésion de grains de carbures WC. Pour comprendre les mécanismes qui conduisent à la décohésion de grains, une stratégie de modélisation numérique à l'échelle mésomécaniques 2D est mise en place. L’énergie de rupture entre un grain et le reste du matériau est modélisée par des éléments cohésifs. Ces modèles montrent que la sensibilité de chaque grain à l’arrachement dépend non seulement des conditions de contact et de la ténacité du matériau, mais également de la taille et de la configuration du grain au voisinage de la surface. / Tungsten carbide and Cobalt (WC‐Co) dies are used for cold forming processes of steel because of their exceptional performances in resisting wear phenomena. This work aims to a better understanding of the complex damage mechanisms that eventually cause wear. This complexity comes from the existing relationships between their microstructure and their macroscopic mechanical properties. For a better understanding of the damage mechanisms leading towards wear, a four‐step strategy is presented. The first step is the cold heading dies sampling directly on the production line. They are collected at different lifetimes. The second step is the identification of the die rheology. It is followed by numerical modeling of the forging process to calculate the stress field and plastic strain magnitude. The third step is to characterize the local evolution of the surface properties along three axes: the tribological, the morphological and mechanical aspects. These analyses quantify the progressive decrease of contact conditions correlated with surface embrittlement and WC carbide grains debonding. To understand the mechanisms that lead to the grains debonding, a set of 2D mesoscale contact models are performed. The fracture energy between a WC grain and the rest of the material is computed using cohesive elements. These models show that the sensitivity to debonding depends not only on the contact conditions and the material fracture toughness, but also on the grain size and grain configuration in the vicinity of the surface.

La profilométrie optique est une technique de métrologie de surface rapide et non destructive. Dans ce mémoire, nous avons abordé cette problématique par des méthodes inverses de diffraction électromagnétique et dans une configuration de type Microscopie Tomographique Optique par Diffraction (ODTM). La surface est sondée par un éclairement sous plusieurs angles d'incidences ; la mesure en amplitude et en phase du champ lointain diffracté constitue les données du problème. Des profils de surfaces ont été reconstruits en considérant différents modèles de diffraction, parmi lesquelles une méthode approchée fondée sur les approximations de diffusion simple et de paraxialité. La résolution latérale de cette méthode et des techniques classiques de profilométrie est limitée par le critère d'Abbe-Rayleigh, défini sur la base de l'ouverture numérique pour l'éclairement et la détection du champ. Afin de dépasser cette limite de résolution, nous avons développé une méthode itérative de Newton-Kantorovitch régularisée. L'opérateur de diffraction y est rigoureusement modélisé par une méthode des moments, résolution numérique des équations du formalisme intégral de frontière, et l'expression de la dérivée de Fréchet de cet opérateur est obtenue par la méthode des états adjoints, à partir du théorème de réciprocité. Pour les surfaces unidimensionnelles métalliques, notre technique permet d'inverser à partir de données synthétiques des surfaces très rugueuses avec une résolution au delà du critère d'Abbe-Rayleigh. / Optical profilometry is a nondestructive and fast noncontact surface metrology technique. In this thesis, we have tackled this issue with inverse scattering electromagnetic methods and in an Optical Digital Tomographic Microscopy (ODTM) configuration. The surface is probed with illuminations under several incidence angles; the measure of far scattered field amplitude and phase constitutes the problem data. Surface profiles have been reconstructed using different scattering models among which an approximate theory based on single scattering and paraxiality. The lateral resolution of this technique and classical profilometric approaches is limited by the so-called Abbe-Rayleigh's criterion defined out of the numerical aperture for illumination and field detection. In order to overpass this resolution limit, we have developed a regularized iterative Newton-Kantorovitch's method. The scattering operator is rigorously modelized with the method of moments, that is a numerical solution of boundary integral equations, and its Fréchet derivative adjoint states expression is deduced from the reciprocity theorem. For one-dimensional metallic surfaces, our method succeeds in inverting from synthetic data very rough surfaces with the resolutions beyond the Abbe-Rayleigh's criterion. The performance of this technique and inversion conditions clearly differ from one polarization to the other : in the TM case, interactions at longer distance than in the TE case improve yet the resolution. This work includes also an experimental validation of our inverse model on grooves in indium phosphure substrate at 633 nm.