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Les microcapteurs de particules sont très généralement des compteurs optiques avec un flux d'air libre. La mesure du nombre et des concentrations massiques de particules repose sur les propriétés de diffusion de la lumière et sur des hypothèses concernant la sphéricité et densité des particules. La précision des mesures des concentrations massiques des particules (PM10, PM2.5, PM1) issues de ces capteurs est fortement dépendante de la stabilité du débit d'air, des hypothèses concernant la nature des particules mais également de la limite de détection des particules supérieure à 0.3 µm. D'autre part, les particules telles que les pollens, outre leurs concentrations, nécessitent l'identification des espèces allergisantes réalisée généralement par un système de microscopie optique volumineux et non automatisé. En fixant les particules sur un support, un nouveau prototype pour la mesure des particules est développé lors d'une collaboration entre le MIT et eLichens permettant de diminuer la limite de détection des particules (PM supérieur à 0.1 µm) et de les imager. Le système compact d'imagerie sans lentille du CEA a également été testé pour l'identification des pollens. Les résultats étant concluant, un démonstrateur temps-réel de microcapteur de pollen basé sur ce système est en cours d'élaboration., Particle microsensors are generally optical counters with free air flow. The particle number and mass concentrations measurements are based on light scattering and assumptions about the sphericity and density of particles. These sensors accuracy regarding the particles mass concentration (PM10, PM2.5, PM1) is strongly dependent on the airflow stability, assumptions about the nature of particles but also on the particles detection limit superior to 0.3 µm. On the other hand, for particles such as pollens, not only the concentration is needed but also the identification of allergenic species which is generally performed through a large and non-automated optical microscopy system. By fixing the particles on a support, a new prototype for the particles measurement is developed in a collaboration between MIT and eLichens, allowing to image the particles thus decreasing their detection limit (PM superior to 0.1 µm). CEA's compact lensfree imaging system has been tested for pollen identification. The results being conclusive, a real-time demonstrator of pollen microsensor based on this system is currently under development.

This thesis studies the interest of measuring the coherent scattering of X-rays for breast diagnosis imaging. Nowadays, most of X-ray-based medical imaging techniques use the information of X-rays attenuation through the tissues. It is the case for mammography, the most common breast imaging modality. The recent emergence of energy resolved detectors (based on semiconductors in particular) allows to consider using another phenomenon: the coherent X-ray scattering. Measurement of diffracted spectra can provide new information related to the molecular structure of the examined tissues, in order to improve their characterization and therefore improve the final diagnosis. Two modalities are considered: the breast cancer detection in vivo, following a suspicious mammography result, or biopsy analysis.The coherent scattering measurement system developed during this thesis work uses energy-resolved CdZnTe-based detectors, these detectors combining performances (energy resolution, sensitivity, spatial resolution, and compactness) promising for clinical application. This system is also based on the detector pixelation, which allows to provide an imaging modality capable of characterizing analyzed materials or tissues in one direction without any translation or rotation.A complete study of the measurement system is proposed in this thesis, structured in three main parts: modeling and simulation of the system, development of the processing of the data measured by the detector in order to image and characterize the analyzed sample and finally, designing of a new and more complex experimental setup based on a whole detector and multislit collimation system. An experimental validation is proposed for each of these three parts., Cette thèse étudie l’intérêt de la mesure de la diffusion cohérente de rayons X dans le cadre de l’imagerie du sein à des fins de diagnostic. Aujourd'hui, la plupart des systèmes d'imagerie médicale par rayons X exploitent le rayonnement transmis à travers les tissus. C’est le cas pour la mammographie, qui est la modalité d’imagerie du sein la plus courante. L'apparition récente de détecteurs résolus en énergie, à base de semi-conducteurs notamment, permet cependant d'envisager l'exploitation en milieu clinique d'un autre phénomène : le rayonnement diffusé cohérent. La mesure de spectres de diffusion peut apporter de nouvelles informations liées à la structure moléculaire des tissus examinés pour mieux les caractériser et ainsi améliorer le diagnostic final. Deux modalités sont envisagées : la détection in vivo de tumeurs du sein, à la suite d’une mammographie présentant un résultat suspect ou l'analyse de biopsie.Le système de mesure de diffusé développé lors de cette thèse exploite les détecteurs résolus en énergie de type CdZnTe, ces derniers présentant des caractéristiques (résolution en énergie, sensibilité, résolution spatiale, compacité) prometteuses pour une utilisation en condition clinique. Il se base par ailleurs sur la pixellisation du détecteur afin de proposer une modalité d’imagerie permettant de caractériser les matériaux ou tissus traversés dans une direction sans translation ni rotation.Cette thèse propose ainsi une étude complète de ce système, articulée autour de trois grandes parties : modélisation puis simulation du système de mesure, développement du traitement des données mesurées par le détecteur afin d’imager et caractériser l’échantillon analysé et enfin, dimensionnement d’un banc expérimental plus complexe intégrant un détecteur complet et un système de collimation multifente. Ces trois parties font par ailleurs l’objet de validations expérimentales associées.

OSC ("Orthogonal State Contrast"imaging is an active polarimetric imaging mode which consists in illuminating the scene with a totally polarized light and analyzing the backscattered light along two orthogonal states of polarization. It reveals contrasts which are not present in conventional intensity images. It arouses a great interest in several domains such as remote sensing, biomedical imaging or vision through diffusive medium. The objective of this thesis was to design an OSC imaging system and to characterize its performance in terms of acquisition capabilities and signal processing. We designed and tested a simple robust setup which is able to acquire simultaneously both orthogonal states of polarization. This architecture reaches the fundamental limits set by detector noise, photon shot noise or spatial and temporal non-uniformity of th illuminaiton. We demonstrated experimentally its benefit when imaging moving targets or imaging through turbulent medium. In order to characterize the performance of this imaging mode, we determine estimation algorithm depending on the predominant type of noise and compare their precision to the Cramer- Rao lower bound. We then studied the performance for target detection as a function of the non-uniformity of the illumination. Finally, we studied the maximization of contrast in scalar polarimetric images. We proposed a method which simultaneously optimizes the states of polarization of the illumination and the reception. This is an interesting perspective for Mueller imagers improvement.; L'imagerie d'OSC ("Orthogonal State Contrast") est un mode d'imagerie polarimé- trique active qui consiste à illuminer la scène avec une lumière polarisée et à analyser le signal rétro-diffusé dans deux états de polarisation orthogonaux. Elle permet de mettre en évidence des contrastes qui ne sont pas présents dans les images d'intensité classiques. Les applications sont très nombreuses en télédétection, dans le domaine biomédical ou pour la vision à travers les milieux diffusants. L'objectif de cette thèse était de concevoir un instrument et de caractériser ses capacités en terme d'acquisition et de traitement de l'information. Nous avons réalisé et validé un système d'acquisition simple et robuste permettant de faire l'image simultanée des deux états de polarisation. Cette architecture permet d'atteindre des limites fondamentales fixées par le bruit de détecteur, le bruit de photons ou la non-uniformité spatiale et temporelle de l'illumination. Nous avons montré expérimentalement son apport pour l'imagerie de cibles mobiles ou à travers un milieu turbulent. Pour évaluer les capacités de ce mode d'imagerie, nous avons déterminé les algorithmes d'estimation et caractérisé leurs précisions en fonction du type de bruit prédominant grâce à la borne de Cramer-Rao. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les performances de détection de cible en fonction de la non-uniformité de l'illumination. Enfin, d'une manière plus générale, nous nous sommes intéressés à la maximisation du contraste dans une image polarimétrique scalaire. Nous avons proposé une méthode d'optimisation conjointe des états de polarisation d'illumination et d'analyse qui présente des perspectives prometteuse pour l'amélioration des imageurs de Mueller.

OSC ("Orthogonal State Contrast"imaging is an active polarimetric imaging mode which consists in illuminating the scene with a totally polarized light and analyzing the backscattered light along two orthogonal states of polarization. It reveals contrasts which are not present in conventional intensity images. It arouses a great interest in several domains such as remote sensing, biomedical imaging or vision through diffusive medium. The objective of this thesis was to design an OSC imaging system and to characterize its performance in terms of acquisition capabilities and signal processing. We designed and tested a simple robust setup which is able to acquire simultaneously both orthogonal states of polarization. This architecture reaches the fundamental limits set by detector noise, photon shot noise or spatial and temporal non-uniformity of th illuminaiton. We demonstrated experimentally its benefit when imaging moving targets or imaging through turbulent medium. In order to characterize the performance of this imaging mode, we determine estimation algorithm depending on the predominant type of noise and compare their precision to the Cramer- Rao lower bound. We then studied the performance for target detection as a function of the non-uniformity of the illumination. Finally, we studied the maximization of contrast in scalar polarimetric images. We proposed a method which simultaneously optimizes the states of polarization of the illumination and the reception. This is an interesting perspective for Mueller imagers improvement.; L'imagerie d'OSC ("Orthogonal State Contrast") est un mode d'imagerie polarimé- trique active qui consiste à illuminer la scène avec une lumière polarisée et à analyser le signal rétro-diffusé dans deux états de polarisation orthogonaux. Elle permet de mettre en évidence des contrastes qui ne sont pas présents dans les images d'intensité classiques. Les applications sont très nombreuses en télédétection, dans le domaine biomédical ou pour la vision à travers les milieux diffusants. L'objectif de cette thèse était de concevoir un instrument et de caractériser ses capacités en terme d'acquisition et de traitement de l'information. Nous avons réalisé et validé un système d'acquisition simple et robuste permettant de faire l'image simultanée des deux états de polarisation. Cette architecture permet d'atteindre des limites fondamentales fixées par le bruit de détecteur, le bruit de photons ou la non-uniformité spatiale et temporelle de l'illumination. Nous avons montré expérimentalement son apport pour l'imagerie de cibles mobiles ou à travers un milieu turbulent. Pour évaluer les capacités de ce mode d'imagerie, nous avons déterminé les algorithmes d'estimation et caractérisé leurs précisions en fonction du type de bruit prédominant grâce à la borne de Cramer-Rao. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les performances de détection de cible en fonction de la non-uniformité de l'illumination. Enfin, d'une manière plus générale, nous nous sommes intéressés à la maximisation du contraste dans une image polarimétrique scalaire. Nous avons proposé une méthode d'optimisation conjointe des états de polarisation d'illumination et d'analyse qui présente des perspectives prometteuse pour l'amélioration des imageurs de Mueller.

Extrait de : Photomécanique / sous la dir. de J.J ORTEU et D. BALAGEAS, Albi, France, Photomécanique 2004. - ISBN 2-7462-1274-9; National audience; Camera calibration is an important prerequisite in computer vision for performing accurate measurements. In that regard, the distortions induced by the optical system must be considered. The classic approach models these distortions using a parametric function. In this paper we show that for complex systems a non-parametric model outperforms the previous techniques. Furthermore, the proposed method makes use of a calibration target with a random (speckle like) pattern and applies the technique of digital image correlation for registering the target images. Compared to the classic approaches which rely on a well-defined geometrical pattern (e.g., chessboard , crossing lines, circles), the proposed method not only improves significantly the calibration accuracy, but also provides greater flexibility by eliminating the need for a special calibration target. These improvements are especially prominent for microscopy applications and demonstrated through three experimental investigations. balayage.; Le calibrage d'un imageur est une étape importante pour la métrologie dimension-nelle par vision artificielle. Pour obtenir des mesures dimensionnelles précises, il est indispensable de prendre en compte les distorsions géométriques induites par le système optique utilisé. L'approche classique consiste à modéliser les distorsions par un modèle paramétrique. Nous montrons qu'une approche non paramétrique est mieux adaptée au cas de systèmes optiques complexes. Les méthodes classiques de calibrage utilisent une mire constituée de motifs géomé-triques (damiers, croix, cercles.. .). Nous montrons que l'utilisation d'une mire de mouchetis (motif aléatoire) couplée à la corrélation d'images permet à la fois d'obtenir une meilleure pré-cision de calibrage et simplifie sa mise en oeuvre pratique. Les nouvelles approches proposées sont illustrées à travers trois applications : le calibrage d'une caméra CCD, le calibrage d'un stéréo-microscope, et le calibrage d'un microscope électronique à balayage.