Caractérisation et optimisation de systèmes d'imagerie polarimétriques innovants

• Auteur / Autrice : Stéphane Roussel
• Direction : François Goudail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Imagerie et information
• Jury : Président / Présidente : Vincent Devlaminck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Goudail, Laurent Bigué, Julien Fade, Marie-Claire Schanne-Klein, Philippe Adam, Matthieu Boffety, Frédéric Champagnat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bigué, Julien Fade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Imagerie (technique)

Polarisation (lumière)

Mots clés libres

Polarisation

Imagerie

Traitement d'images

Polarization of lightimagingimage processing

Imaging

Image processing

Résumé

L'imagerie polarimétrique permet de mesurer la polarisation de la lumière en chaque point d'une scène et de révéler des contrastes invisibles en imagerie classique.Nous étudions dans cette thèse le compromis entre la complexité instrumentale de ces imageurs et leur performance en présence de bruit de mesure.Le contraste que permet d'obtenir un imageur polarimétrique dépend de la capacité du polarimètre à adapter la modulation de la polarisation en fonction de la scène observée.En comparant les contrastes obtenus avec un imageur adaptatif capable de s'adapter à une scène et un imageur statique dont les états de polarisation accessibles sont en nombre limité, nous montrons que la perte de contraste est bornée et que dans le pire des cas le rapport entre les deux contrastes est de 1/9.Dans la pratique, l'utilisation d'un imageur statique est donc envisageable pour simplifier le système tout en conservant un contraste non nul.La capacité d'un polarimètre à moduler la polarisation de la lumière a aussi une influence sur la précision avec laquelle on peut mesurer son état de polarisation.Nous avons étudié la précision de mesure d'un imageur polarimétrique à division de plan focal.Ce type de système à la particularité d'avoir une matrice de micro-polariseurs directement sur le capteur de la caméra ce qui permet de mesurer un vecteur de Stokes linéaire en une seule acquisition.Nous montrons qu'en présence de bruits de mesure, les défauts de fabrication des micro-polariseurs ont une influence sur la variance d'estimation des paramètres polarimétriques et que cette différence peut être quantifiée de manière précise.D'autre part, nous montrons qu'il est possible de repousser les limites de ce type d'imageur en ajoutant un composant retardateur et en faisant plusieurs acquisitions ce qui permet de mesurer un vecteur de Stokes complet et d'améliorer la résolution spatiale.Nous déterminons les configurations permettant d'optimiser la précision de mesure en fonction de plusieurs contraintes telles que le temps d'acquisition, la résolution spatiale, le type de retardateur utilisé.La possibilité de choisir parmi toutes ces configurations donne à cet imageur la capacité de s'adapter à de nombreuses situations.

Polarimetric imaging allows to measure the polarization state of the light and to reveal contrasts that are invisible with classical imaging systems.In this thesis we study the trade-off between the instrumental complexity of these imagers and their performance in the presence of measurement noise.The contrast that can be obtained with a polarimetric imager depends on its capacity to modulate the polarization depending on the observed scene.By comparing the contrasts obtained with an imager that can be adapted to a given scene and a static imager which polarization states are fixed, we show that the loss of contrast is limited and that in the worst case the ratio between both contrast is 1/9.In practice static imagers that are easier to build and operate can thus be a good alternative to adaptive imagers.The polarimeter's ability to modulate light polarization influences the measurement precision of its polarization state.We have studied the measurement precision of a division of focal plane polarimeter.The distinguishing aspect of this kind of imager is that a matrix of micro-polarizers is placed directly on the camera sensor which allows to measure a linear Stokes vector in one acquisition.We show that in the presence of measurement noise, the manufacturing defects of the micro-polarizers have an influence on the estimation variance of polarimetric properties and that this difference can be precisely quantified.Moreover, we show that it is possible to push the boundaries of this type of imager by doing multiple acquisitions and adding a retarder in front of the camera which allows to measure the full Stokes vector and to improve spatial resolution.We determine the configurations that optimize the measurement precision as a function of different constraints such as acquisition time, spatial resolution and the type of retarder.The possibility to choose among all these configurations gives to this imager the ability to adapt to many situations.