Dissertations / Theses on the topic 'Imagerie IR'

L'histologie tridimensionnelle (3D) est un nouvel outil avancé de cancérologie. L'ensemble du profil chimique et des caractéristiques physiologiques d'un tissu est essentiel pour comprendre la logique du développement d'une pathologie. Cependant, il n'existe aucune technique analytique, in vivo ou histologique, capable de découvrir de telles caractéristiques anormales et de fournir une distribution3D à une résolution microscopique. Nous présentons ici une méthode unique de microscopie infrarouge (IR) à haut débit combinant une correction d'image automatisée et une analyse ultérieure des données spectrales pour la reconstruction d'image 3D-IR. Nous avons effectué l'analyse spectrale d'un organe complet pour un petit modèle animal, un cerveau de souris avec une tumeur de gliome implantée. L'image 3D-IR est reconstruite à partir de 370 coupes de tissus consécutives et corrigée à l'aide du tomogramme à rayons X de l'organe pour une analyse quantitative précise du contenu chimique. Une matrice 3D de spectres IR 89 x 106 est générée, ce qui nous permet de séparer la masse tumorale des tissus cérébraux sains en fonction de divers paramètres anatomiques,chimiques et métaboliques. Nous démontrons pour la première fois que des paramètres métaboliques quantitatifs (glucose, glycogène et lactate) peuvent être extraits et reconstruits en 3D à partir des spectres IR pour la caractérisation du métabolisme cérébral / tumoral (évaluation de l'effet de Warburg dans les tumeurs). Notre méthode peut être davantage exploitée en recherchant l'ensemble du profil spectral, en distinguant différents points de repère anatomiques dans le cerveau.Nous le démontrons par la reconstruction du corps calleux et de la région des noyaux gris centraux du cerveau
Three-dimensional (3D) histology is a new advanced tool for cancerology. The whole chemical profile and physiological characteristics of a tissue is essential to understand the rationale of pathology development. However, there is no analytical technique, in vivo or histological, that is able to discover such abnormal features and provide a 3D distribution at microscopic resolution.Here, we introduce a unique high- throughput infrared (IR) microscopy method that combines automated image correction and subsequent spectral data analysis for 3D-IR image reconstruction. I performed spectral analysis of a complete organ for a small animal model, a mouse brain with animplanted glioma tumor. The 3D-IR image is reconstructed from 370 consecutive tissue sectionsand corrected using the X-ray tomogram of the organ for an accurate quantitative analysis of thechemical content. A 3D matrix of 89 x 106 IR spectra is generated, allowing us to separate the tumor mass from healthy brain tissues based on various anatomical, chemical, and metabolic parameters. I demonstrate for the first time that quantitative metabolic parameters (glucose, glycogen and lactate) can be extracted and reconstructed in 3D from the IR spectra for the characterization of the brain vs. tumor metabolism (assessing the Warburg effect in tumors). Our method can be further exploited by searching for the whole spectral profile, discriminating different anatomical landmarks in the brain. I demonstrate this by the reconstruction of the corpus callosum and basal ganglia region of the brain

Les électrolyseurs à électrolyte polymère (PEM), employés dans le processus d'électrolyse de l'eau, ont une utilisation limitée due au manque de connaissances des phénomènes physiques en jeu, notamment au niveau de la membrane utilisée pour séparer l'eau. La compréhension des mécanismes de transfert de masse et d'ions au sein de cette membrane est essentielle pour améliorer le rendement de ces systèmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une technique de caractérisation basée sur l'imagerie afin de mieux comprendre les phénomènes de transport dans la membrane d'une PEM. Le déroulement de cette thèse est organisé en deux parties.Dans la première partie de la thèse, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie infrarouge (IR) à transformée de Fourier (FTIR) et sur la thermographie IR est présentée. Le dispositif expérimental a été développé et utilisé pour étudier deux réactions acide-base exothermiques dans un canal microfluidique. Le champ de concentration 2D imagé permet de quantifier simultanément le transport de chaleur et de masse dans le canal microfluidique. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour valider une simulation du phénomène de diffusion-advection-réaction. Ces premiers résultats ont permis de montrer la viabilité du banc expérimental pour la caractérisation du transfert de masse dans une puce microfluidique.Dans la deuxième partie de la thèse, une PEM microfluidique a été spécifiquement développée afin de mesurer la teneur en eau dans la membrane via une technique de spectroscopie par transmission dans la gamme IR. Dans un premier temps, un dispositif de spectroscopie FTIR synchrotron a été utilisé pour étudier le processus de séchage et d'hydratation de la membrane. L'électrolyseur PEM microfluidique a ensuite été caractérisé sur une plateforme d’imagerie qui combine la spectroscopie IR et les mesures électrochimiques. Les cartographies 2D obtenues grâce à cette technique permettent de quantifier l'hydratation de la membrane sur une surface. La combinaison des images et des mesures électrochimiques a permis d'établir le lien entre les performances, les pertes ohmiques et le transport de masse dans la membrane. Les résultats de cette thèse montrent le potentiel des techniques IR basées sur la transmission pour comprendre les mécanismes de transport dans les PEM microfluidiques en fonctionnement. Ces techniques IR sans contact pourraient être utilisées pour quantifier d'autres phénomènes tels que la traînée électro- ou thermo-osmotique
Understanding and improving mass and ionic transport mechanisms within the membrane used in polymer electrolyte membrane (PEM) water splitting electrolyzers is vital for achieving improved efficiencies that would enable the use of water electrolysis in sustainable energy infrastructures. A better understanding of mass and ion transport within the PEM are essential to achieving the improved performance and efficiencies necessary for wide-scale commercialization of these devices. The work from this thesis aims to improve characterization methods for measuring PEM hydration using an operating microfluidic PEM electrolysis chip coupled with operando infrared (IR) spectroscopy. This development of this thesis is organized through two parts.In part one and prior to the development of the microfluidic electrolyzer, the experimental setup for IR characterization via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and IR thermography was developed. This setup was tested through a microfluidic chip designed for semi-transparency in mid-wave IR light. Two exothermic acid-base reactions were imaged in the chip to simultaneously quantify heat and mass transport in the microfluidic channel. Concentration fields of each chemical species and thermal fields of the chemical reactions were resolved from the acquired IR images. Experimental results were used to validate an advection diffusion simulation of the chemical reaction within a meshed replica of the microfluidic chip, for which there was a strong agreement between the results from each dataset.In part two, the methods from part one were honed for the fabrication of the first microfluidic PEM water electrolyzer for transmission-based IR characterization. The water content within the PEM of the microfluidic water electrolyzer was characterized through two operando IR spectroscopy setups. The first IR experimental setup utilized a synchrotron FTIR spectroscopy setup, where the water content of the PEM was quantified using IR for the first time, albeit only at a single point. The second microfluidic PEM electrolyzer setup used a broadband IR source combined with other techniques to distinguish contributions from ohmic, kinetic, and mass transport losses while acquiring IR images. Images were acquired during potentiostatic operation for a range of anolyte concentrations. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and distribution of relaxation times (DRT) unveiled that higher anolyte concentrations were accompanied by reduced ohmic losses but higher kinetic and mass transport losses. The higher mass transport losses were investigated through images averaged over comparable time scales to EIS and DRT results, and implied that inefficient gas removal occurred at the cathode. These effects were further investigated through the PEM hydration (λ_(H_2 O)) via three characteristic regions where the adjacent channels were either wet, dry, or a mix of both. The local channel wetness was observed to strongly affect the PEM’s hydration through gradients that manifested between cathode and anode channels.Results from this thesis show the potential of transmission-based IR techniques for elucidating transport mechanisms in PEMs of operating microfluidic electrolyzers. Implementing layers that are traditionally implemented in fuel cells and electrolyzers for gas-liquid management into the microfluidic PEM electrolyzer could greatly improve results obtained from the presented methods. Consequently, IR techniques could potentially be used to achieve the contactless quantification of phenomena such as electro- or thermo-osmotic drag. The findings in this thesis provide valuable insights for membrane characterization in electrochemical devices with integrated PEMs, and will inform the next generation of electrolyzer design

Breast cancer is a global public health problem since it is the most frequently diagnosed cancer in women in Western countries. Clinical guidelines for breast cancer prognosis/diagnosis are currently based on tumour size, histological type and grade, lymph node status as well as the expression of various cellular receptors. Yet, current predictions remain unsatisfactory to identify the best treatment for the individual patient. The search for identifying new predictive and prognostic factors is ongoing. Furthermore, compelling evidences have solidified the notion that the evolving epithelial cells, founders of the breast disease, are helped in their malignant course by the tumour microenvironment. Better characterizing the dual effect of the immune regulation but also the epithelial-stromal cross-talk on both tumour-promotion and -suppression is essential for understanding patient uniqueness and their implication in disease outcome. Because of its potential to probe tissues and cells at the molecular level without requirement for extrinsic contrast agents, infrared spectroscopy was seen as an attractive tool for clinical and diagnostic analysis in order to complement the existing methods.

In a first step, recording and processing methodology had to be defined in order to optimally compare IR spectra. The methodology developed and the analysis tools tested on carcinoma cell lines, demonstrated that spectra could be distinguished based on the cell line phenotypic nature.

The potential of IR imaging for breast tissular structure differentiation was highlighted in this thesis, demonstrating that spectral signature can be correlated with the major histological cell types observed in breast disease tissues. In order to develop a robust algorithm translating spectral data into helpful histopathological information, a spectral database of histologically well-defined breast tissues was built and used for the development of a cell type classifier. This latter one was extensively validated on independent clinical cases. Firstly, the IR-based histopathological classifier correctly assigned spectra acquired on eleven breast disease samples based on their histological nature. Secondly, lymphocyte and Collagen & Fibroblasts spectral signatures were demonstrated to be independent from tissue type and organ since, although trained on reference spectra recorded into breast disease samples, the cell type classifier correctly assigned spectra acquired on lymph nodes/tonsils and scar tissues respectively. Thirdly, we concluded that spectroscopically, breast carcinoma cell lines in culture are well-suited tumour models since spectra acquired on these carcinoma cell lines were correctly recognized as epithelium by the IR-based histological classifier.

By spectral characterizing lymphocytes from lymph nodes and tonsils, we demonstrated that the spectra acquired contained enough information to statistically discriminate them according to their lymphocyte activation states. Although considered as activated, the breast disease lymphoid infiltrates were found to present distinct spectral signature from lymphocytes acquired on activated lymph nodes and tonsils. Furthermore, tumour microenvironment, characterized by IR-imaging was demonstrated to exhibit a distinct spectral signature from wound healing tissues. These studies proved the uniqueness of the signature of both lymphoid infiltrate and tumour microenvironment in breast disease context. Correlating these specific spectral signatures to patient outcome and therapeutics response could help better consider the uniqueness of the patient. In a last step, considering the epithelial signature of carcinomas of both low and high grades, we demonstrated that the biochemical information reflected in the IR micro-spectra was clinically relevant for grading purpose.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les femmes dans les pays occidentaux. Jusqu’à peu, les cellules épithéliales tumorales étaient vues comme les seuls acteurs de la carcinogenèse ;processus se déroulant dans un milieu extracellulaire considéré au pire comme passif ou permissif à l’évolution tumorale des cellules épithéliales adjacentes. Cependant, de nombreuses études ont montré que ce microenvironnement tumoral pouvait soit promouvoir le processus de carcinogenèse soit le combattre empêchant par la même, l’occurrence de la maladie.

Ce projet de thèse s’inscrit dans une problématique actuelle, à savoir une meilleure compréhension de la maladie mais également une prise en charge plus individualisée des patientes. Nous abordons ici une voie de recherche novatrice basée sur la signature globale des molécules cellulaires via leur spectre infrarouge. La technologie utilisée, à savoir la spectroscopie infrarouge, nous fournit une observation quantitative et qualitative de milliers de vibrations moléculaires. L’adaptation de réseaux de plusieurs milliers de détecteurs indépendants aux microscopes infrarouges permet, grâce aux méthodes statistiques multivariées, d’investiguer l’architecture macromoléculaire des cellules au sein d’une coupe tissulaire et de corréler les informations spectrales ainsi obtenues à l’histopathologie des tissus. Par cette technologie, nous visons à mettre au point un outil diagnostique et pronostique pour le cancer du sein basé sur l’imagerie IR.

Durant ce projet, nous avons montré que les différents types cellulaires observés dans les carcinomes mammaires pouvaient être distingués par le biais de leur spectre IR, qu’un modèle de reconnaissance histologique pouvait être construit, validé et surtout automatisé et que ce modèle pouvait être transposé à l’étude d’autres tissus (ganglions, amygdales et cicatrices) et d’autres types d’échantillons (cellules épithéliales en culture). Nous avons également montré que les spectres de cellules épithéliales pouvaient être corrélés au grade histopathologique de la tumeur. Les spectres acquis de ganglions/amygdales ont montré que les profils spectraux pouvaient être corrélés à l’état d’activation lymphocytaire. De plus, l’étude de l’état d’activation lymphocytaire et fibroblastique a permis de mettre en avant un profil spectral propre et bien distinct des infiltrats lymphocytaires d’une part et de la matrice extracellulaire aux abords des tumeurs invasives d’autre part.

Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique
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L’imagerie de fluorescence et l'imagerie photo-acoustique (PA) sont deux outils puissants pour la visualisation des tissus et organes biologiques de manière non invasive. Toutefois, ces technologies sont actuellement limitées par le manque d'agents de contraste efficaces. Utiliser des longueurs d’onde de domaine du proche infrarouge (NIR, 650-900 nm), dont l'absorption et la diffusion dans les organismes est relativement faible, permet une imagerie in vivo plus profonde, induit moins d’auto-fluorescence et apporte un bon rapport signal/bruit. Par conséquent, la conception et la synthèse de nouveaux colorants organiques NIR efficaces revêt une importance fondamentale pour l’imagerie de fluorescence ou photo-acoustique. L'encapsulation de colorants organiques dans des nanoparticules dispersibles dans l'eau présente un grand potentiel en imagerie bio-optique, offrant les avantages d'une haute luminosité, d'une bonne photo-stabilité, d'une excellente biocompatibilité et d'une capacité potentielle de ciblage, etc. Notre objectif principal dans cette thèse est de synthétiser de nouvelles molécules organiques pouvant servir d’agents de contraste pour l'imagerie in vivo par fluorescence ou PA
Fluorescence and photoacoustic (PA) imaging are both powerful tools for visualization of biological tissues and organs in non-invasive ways. However, these technologies are limited by the lack of efficient contrast agents. NIR light (650-900 nm) with relatively low absorption and scattering in organisms allows for deeper in vivo imaging, lower auto-fluorescence as well as a good signal to noise ratio. Hence, design and synthesis of efficient NIR organic dyes are of great significance for fluorescence or PA bio-imaging. Meanwhile, encapsulation of organic dyes in nanoparticles dispersible in water present great potential in bio-optical imaging, offering the advantages of high brightness, good photo-stability, excellent biocompatibility and potential targeting ability, etc. Our main goal in this thesis is to synthesize novel organic contrast agents for in vivo fluorescence or PA imaging

Cette etude montre la faisabilite de detecteurs infrarouges non refroidis pouvant etre produits a faible cout. L'emploi d'une filiere silicium et d'une technologie monolithique sont des conditions sine qua non pour atteindre l'objectif de faible cout de fabrication. Une large diffusion peut ainsi etre envisagee, en particulier, pour la surveillance industrielle et l'aide a la conduite automobile. Le principe du bolometre consiste a mesurer l'echauffement du rayonnement infrarouge. La variation de conductivite d'un thermometre en silicium amorphe place sur un micro-pont pour renforcer l'isolation thermique permet ensuite de transcrire le signal sous forme electrique. L'emploi d'une cavite quart d'onde et l'utilisation des electrodes de lecture du thermometre comme absorbeur d'onde ameliorer l'efficacite des dispositifs. Le silicium amorphe est choisi comme thermometre pour satisfaire la contrainte ab initio de faible cout. Le silicium est obtenu par lpcvd dope bore afin de garder une temperature de depot basse et aussi un faible niveau de bruit electrique. L'etude du silicium amorphe permet d'obtenir des dispositifs optimises en conciliant une forte activation thermique de la conductivite et une forte conductivite avec un faible bruit. Un fort dopage bore (2%) abaisse la temperature de croissance de la couche et incorpore peu d'hydrogene. La presence de polluants tels que oxygene, azote et carbone est aussi prise en compte. Ce materiau montre de la metastabilite comme decrit dans la litterature mais aussi de l'originalite par des effets irreversibles induits par les traitements thermiques. La derive irreversible sous recuit est etudiee a travers des caracterisations physiques et electriques. En particulier, le role de l'hydrogene est pris en consideration. Les detecteurs obtenus ont actuellement des performances de niveau mondial. Le netd est de 100 mk, ce qui permet d'envisager de l'imagerie infrarouge au moyen des composants actuellement produits.

Des sources des rayons XUV (1-100 nm) sont des outils extraordinaires pour sonder la dynamique à l’échelle nanométrique avec une résolution femto- voire attoseconde. La génération d’harmoniques d’ordre élevé (GH) est une des sources majeures dans ce domaine d’application. La GH est un processus dans lequel une impulsion laser infrarouge femtoseconde est convertie, de manière cohérente, en fréquences élevées dans le domaine EUV par interaction hautement non-linéaire dans un atome, une molécule et plus récemment, dans un cristal. La GH possède une excellente cohérence spatiale qui a permis de réaliser des démonstrations impressionnantes en imagerie sans lentille. Pour accroître le potentiel de ces sources, des défis sont à relever : leur brillance et énergie de photon maximum doivent augmenter et les techniques d’imagerie sans lentille doivent être modifiées pour être compatibles avec l’importante largeur spectrale des impulsions attosecondes émise par ces sources. Cette thèse présente une nouvelle approche dans laquelle des figures de diffraction large bande, i.e. potentiellement attosecondes, sont rendues monochromatiques numériquement. Cette méthode est basée uniquement sur la mesure du spectre de la source et la supposition d’un échantillon spatialement non-dispersif. Cette approche a été validée tout d’abord dans le visible, à partir d’un supercontinuum. L’échantillon binaire est reconstruit par recouvrement de phase pour une largeur spectrale de 11 %, là où les algorithmes usuels divergent. Les simulations numériques montrent aussi que la méthode de monochromatisation peut être appliquée au domaine des rayons X, avec comme exemple un masque semi-conducteur utilisé en de lithographie EUV. Bien que la brillance « cohérente » de la source actuelle (qui progresse) reste insuffisante, une application sur l’inspection de masques sur source Compton est proposée. Dans une extension de ces simulations un masque de lithographie étendu est reconstruit par ptychographie, démontrant la versatilité à d’autres techniques d’imagerie sans lentille. Nous avons également entamé une série d’expérience dans le domaine des X-durs sur source synchrotron. Les figures de diffraction après monochromatisation numérique semblent prometteuses mais l’analyse des données demandent des efforts supplémentaires. Une partie importante de cette thèse est dédiée à l’extension des sources harmoniques à des brillances et énergies de photon plus élevées. Ce travail exploratoire permettrait la réalisation d’une source harmonique compacte pompée par un laser OPCPA dans le moyen infrarouge à très fort taux de répétition. Les longueurs d’onde moyen infrarouge (3.1 μm dans ce travail de thèse) sont favorables à l’extension des énergies des photons au keV et aux impulsions attosecondes. Le but est de pouvoir couvrir les seuils d’absorption X et d’améliorer la résolution spatio-temporelle. Cependant, deux facteurs rendent cette démonstration difficile: le nombre de photons par impulsion de la source OPCPA est très limité et la réponse du dipôle harmonique à grande longueur est extrêmement faible. Pour relever ces défis plusieurs configurations expérimentales sont explorées : génération dans un jet de gaz ; génération dans une cellule de gaz ; compression solitonique et la génération d’harmoniques combinées dans une fibre à cristal photonique ; compression solitonique dans une fibre à cristal photonique et génération d’harmoniques dans une cellule de gaz. Les premiers résultats expérimentaux sur la compression solitonique jusqu’à 26 femtosecondes et des harmoniques basses jusqu’à l’ordre sept sont présentésEn résumé, ces résultats représentent une avancée vers l’imagerie nanométrique attoseconde sans lentille basée sur des algorithmes « large bande » innovants et une extension des capacités de nouvelles sources harmoniques ‘table-top’ au keV pompées par laser OPCPA
Soft X-ray sources based on high harmonic generation are up to now unique tools to probe dynamics in matter on femto- to attosecond timescales. High harmonic generation is a process in which an intense femtosecond laser pulse is frequency upconverted to the UV and soft X-ray region through a highly nonlinear interaction in a gas. Thanks to their excellent spatial coherence, they can be used for lensless imaging, which has already led to impressive results. To use these sources to the fullest of their potential, a number of challenges needs to be met: their brightness and maximum photon energy need to be increased and the lensless imaging techniques need to be modified to cope with the large bandwidth of these sources. For the latter, a novel approach is presented, in which broadband diffraction patterns are rendered monochromatic through a numerical treatment based solely on the spectrum and the assumption of a spatially non-dispersive sample. This approach is validated through a broadband lensless imaging experiment on a supercontinuum source in the visible, in which a binary sample was properly reconstructed through phase retrieval for a source bandwidth of 11 %. Through simulations, the numerical monochromatization method is shown to work for hard X-rays as well, with a simplified semiconductor lithography mask as sample. A potential application of lithography mask inspection on an inverse Compton scattering source is proposed, although the conclusion of the analysis is that the current source lacks brightness for the proposal to be realistic. Simulations with sufficient brightness show that the sample is well reconstructed up to 10 % spectral bandwidth at 8 keV. In an extension of these simulations, an extended lithography mask sample is reconstructed through ptychography, showing that the monochromatization method can be applied in combination with different lensless imaging techniques. Through two synchrotron experiments an experimental validation with hard X-rays was attempted, of which the resulting diffraction patterns after numerical monochromatization look promising. The phase retrieval process and data treatment however require additional efforts.An important part of the thesis is dedicated to the extension of high harmonic sources to higher photon energies and increased brightness. This exploratory work is performed towards the realization of a compact high harmonic source on a high repetition rate mid-IR OPCPA laser system, which sustains higher average power and longer wavelengths compared to ubiquitous Ti:Sapphire laser systems. High repetition rates are desirable for numerous applications involving the study of rare events. The use of mid-IR wavelengths (3.1 μm in this work) promises extension of the generated photon energies to the kilo-electronvolt level, allowing shorter pulses, covering more X-ray absorption edges and improving the attainable spatial resolution for imaging. However, high repetition rates come with low pulse energies, which constrains the generation process. The generation with longer wavelengths is challenging due to the significantly lower dipole response of the gas. To cope with these challenges a number of experimental configurations is explored theoretically and experimentally: free-focusing in a gas-jet; free-focusing in a gas cell; soliton compression and high harmonic generation combined in a photonic crystal fiber; separated soliton compression in a photonic crystal fiber and high harmonic generation in a gas cell. First results on soliton compression down to 26 fs and lower harmonics up to the seventh order are presented.Together, these results represent a step towards ultrafast lensless X-ray imaging on table-top sources and towards an extension of the capabilities of these sources

Le présent travail de thèse se propose de développer des techniques innovantes pour l'automatisation de tri de déchets de bois. L'idée est de combiner les techniques de spectrométrie proche-infra-rouge à des méthodes robustes de traitement de données pour la classification. Après avoir exposé le contexte du travail dans le premier chapitre, un état de l'art sur la classification de données spectrales est présenté dans le chapitre 2. Le troisième chapitre traite du problème de sélection de variables par des approches parcimonieuses. En particulier nous proposons d'étendre quelques méthodes gloutonnes pour l'approximation parcimonieuse simultanée. Les simulations réalisées pour l'approximation d'une matrice d'observations montrent l'intérêt des approches proposées. Dans le quatrième chapitre, nous développons des méthodes de sélection de variables basées sur la représentation parcimonieuse simultanée et régularisée, afin d'augmenter les performances du classifieur SVM pour la classification des spectres IR ainsi que des images hyperspectrales de déchets de bois. Enfin, nous présentons dans le dernier chapitre les améliorations apportées aux systèmes de tri de bois existants. Les résultats des tests réalisés avec logiciel de traitement mis en place, montrent qu'un gain considérable peut être atteint en termes de quantités de bois recyclées
In this thesis, innovative techniques for sorting wood wastes are developed. The idea is to combine infrared spectrometry techniques with robust data processing methods for classification task. After exposing the context of the work in the first chapter, a state of the art on the spectral data classification is presented in the chapter 2. The third chapter deals with variable selection problem using sparse approaches. In particular we propose to extend some greedy methods for the simultaneous sparse approximation. The simulations performed for the approximation of an observation matrix validate the advantages of the proposed approaches. In the fourth chapter, we develop variable selection methods based on simultaneous sparse and regularized representation, to increase the performances of SVM classifier for the classification of NIR spectra and hyperspectral images of wood wastes. In the final chapter, we present the improvements made to the existing sorting systems. The results of the conducted tests using the processing software confirm that significant benefits can be achieved in terms of recycled wood quantities

Le présent travail de thèse se propose de développer des techniques innovantes pour l'automatisation de tri de déchets de bois. L'idée est de combiner les techniques de spectrométrie proche-infra-rouge à des méthodes robustes de traitement de données pour la classification. Après avoir exposé le contexte du travail dans le premier chapitre, un état de l'art sur la classification de données spectrales est présenté dans le chapitre 2. Le troisième chapitre traite du problème de sélection de variables par des approches parcimonieuses. En particulier nous proposons d'étendre quelques méthodes gloutonnes pour l'approximation parcimonieuse simultanée. Les simulations réalisées pour l'approximation d'une matrice d'observations montrent l'intérêt des approches proposées. Dans le quatrième chapitre, nous développons des méthodes de sélection de variables basées sur la représentation parcimonieuse simultanée et régularisée, afin d'augmenter les performances du classifieur SVM pour la classification des spectres IR ainsi que des images hyperspectrales de déchets de bois. Enfin, nous présentons dans le dernier chapitre les améliorations apportées aux systèmes de tri de bois existants. Les résultats des tests réalisés avec logiciel de traitement mis en place, montrent qu'un gain considérable peut être atteint en termes de quantités de bois recyclées
In this thesis, innovative techniques for sorting wood wastes are developed. The idea is to combine infrared spectrometry techniques with robust data processing methods for classification task. After exposing the context of the work in the first chapter, a state of the art on the spectral data classification is presented in the chapter 2. The third chapter deals with variable selection problem using sparse approaches. In particular we propose to extend some greedy methods for the simultaneous sparse approximation. The simulations performed for the approximation of an observation matrix validate the advantages of the proposed approaches. In the fourth chapter, we develop variable selection methods based on simultaneous sparse and regularized representation, to increase the performances of SVM classifier for the classification of NIR spectra and hyperspectral images of wood wastes. In the final chapter, we present the improvements made to the existing sorting systems. The results of the conducted tests using the processing software confirm that significant benefits can be achieved in terms of recycled wood quantities

Dans le domaine du biomédical, l'étude des changements physico-chimiques induits par une pathologie au sein des tissus, à l'échelle cellulaire, peut être cruciale pour élucider les mécanismes à l'origine de ce phénomène. Toutefois, seules quelques techniques d'analyse permettent une description chimique à cette échelle. La nanospectroscopie infrarouge, en particulier l'AFM-IR (Microscopie à Force Atomique-Infrarouge) est prometteuse en permettant une description chimique des matériaux à l'échelle nanométrique. Actuellement, l'AFM-IR est souvent utilisée pour l'étude des cellules et micro-organismes, mais très peu pour l'étude des tissus biologiques en raison de la complexité de ces derniers. Pourtant, de nombreuses applications pourraient bénéficier d'une telle description, comme l'étude des phénomènes de minéralisation dans les tissus mammaires. Les microcalcifications mammaires (MCMs) sont des dépôts calciques anormaux (oxalates ou phosphates de calcium) et dont la composition est, dans la littérature, présumée associée à la nature des lésions : cancéreuses ou non. Malgré la multiplication des recherches sur le sujet au cours des dix dernières années, les processus de formation de ces MCMs et leur lien avec les pathologies et notamment les cancers du sein restent mal compris. Dans ce contexte, une description chimique des MCMs à l'échelle nanométrique pourrait fournir un nouvel éclairage et aider à la compréhension de leur genèse. Les biopsies mammaires (typiquement quelques millimètres à quelques centimètres) contiennent généralement plusieurs MCMs avec une forte dispersion en taille, de quelques centaines de nanomètres à un millimètre. Une stratégie de caractérisation multi-échelle est donc nécessaire pour décrire chimiquement l'entièreté de l'échantillon mais également accéder à une description fine des MCMs. Une approche multimodale et multi-échelle a ainsi été mise en place. Celle-ci permet d'étudier les propriétés morphologiques des MCMs en utilisant la microscopie électronique à balayage, ainsi que leurs propriétés chimiques à l'échelle micrométrique et nanométrique grâce à la microscopie et nanospectroscopie IR (e.g., AFM-IR). Bien que l'étude d'objets inorganiques et cristallins au sein d'une matrice organique par AFM-IR soit complexe, en raison des fortes variations locales des propriétés optiques et mécaniques au sein de ces matériaux hybrides, nous avons réussi à caractériser par AFM-IR des dépôts calciques au sein de tissus biologiques. La mise en œuvre d'une telle approche comporte plusieurs défis, tant d'un point de vue méthodologique qu'expérimental, notamment pour la préparation des échantillons, au cours des mesures, du traitement et de la gestion des données générées, ainsi que de leur interprétation. Tous ces aspects seront détaillés et des solutions proposées illustrant ainsi les capacités de l'AFM-IR pour l'étude des biomatériaux complexes
In the biomedical field, understanding the physicochemical changes at the cellular level in tissues can be crucial for unraveling the mechanisms of pathological phenomena. However, the number of techniques providing chemical descriptions at the cellular/molecular level is limited. Infrared (IR) nanospectroscopy techniques, particularly AFM-IR (Atomic Force Microscopy-infrared), are promising as they offer materials' chemical descriptions at the nanometer scale. Up to now, AFM-IR is mainly used in biology for studying individual cells or micro-organisms, but its direct application in biological tissues is relatively scarce due to tissue sections' complex nature. Yet, many applications could benefit from such description, such as mineralization phenomena in breast tissue. Breast microcalcifications (BMCs) are calcium-based deposits (such as calcium oxalate and calcium phosphate) hypothesized to be associated with some breast pathologies, including cancer. Despite increased research over the past decade, BMCs' formation process and connection with breast conditions remain poorly understood. Still, BMCs nanoscale chemical speciation might offer new insights into their chemical architecture. However, breast biopsies typically range from a few millimeters to a few centimeters, containing many BMCs ranging from hundreds of nanometers to a millimeter. Thus, a breast biopsy multiscale characterization strategy is required to provide both a global chemical description of the sample and a fine chemical description of BMCs. We, thus, propose a new multimodal and multiscale approach to investigate BMCs' morphological properties using scanning electron microscopy and their chemical composition at the microscale using IR spectromicroscopy, extending up to the nanometer scale thanks to AFM-IR analysis. Although AFM-IR measurements of inorganic and crystalline objects can be challenging due to their specific optical and mechanical properties, we demonstrate AFM-IR capabilities to characterize pathological deposits directly in biological tissues. Furthermore, implementing a multimodal and multiscale methodology comes with significant challenges in terms of sample preparation, measurements, data processing, and data management, as well as their interpretation: challenges which will be outlined and addressed

Une nouvelle génération de spectromètres imageurs émerge dans le domaine de l'exploration spatiale par l'ajout d'une dimension supplémentaire de mesure, la dimension angulaire. L'imagerie spectroscopique multi-angulaire est conçue pour fournir une caractérisation plus précise des matériaux planétaires et permet une meilleure séparation des signaux provenant de l'atmosphère et la surface. Le capteur Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter est une caméra hyperspectrale qui fonctionne systématiquement dans le mode multi-angulaire depuis l'orbite. Néanmoins, les images multi-angulaires hyperspectrales posent certains problèmes de manipulation, de visualisation et d'analyse en raison de leur taille et de leur complexité. Dans ce cadre, cette thèse propose des algorithmes statistiques et physiques pour analyser les images acquises par l'instrument CRISM de manière efficace et robuste. Premièrement, je propose une chaîne de post-traitement visant à améliorer la qualité radiométrique des données CRISM et à générer des produits améliorés, ces dernières données étant conçues pour permettre une analyse fine de la planète Mars. Deuxièmement, je m'intéresse à la correction atmosphérique des images CRISM en exploitant les capacités multi-angulaires de cet instrument. Un algorithme innovant, à base physique est mis en oeuvre pour compenser les effets atmosphériques afin d'estimer la reflectance de surface. Cette approche est particulièrement utilisée dans cette thèse pour déduire les propriétés photométriques des matériaux qui coexistent dans un site spécifique de Mars, le cratère de Gusev. Troisièmement, j'effectue une comparaison d'une sélection des meilleurs techniques existantes, visant à réaliser une déconvolution spectrale des données acquises par l'instrument CRISM. Ces techniques statistiques se sont avérées utiles lors de l'analyse d'images hyperspectrales de manière non supervisé, c'est a dire, sans aucun a priori sur la scène. Une stratégie originale est proposée pour discriminer les techniques les plus appropriées pour l'exploration de Mars, à partir de données indépendantes provenant d'autres capteurs d'imagerie haute résolution afin de construire une vérité de terrain
New generation of imaging spectrometers are emerging in the field of space exploration by adding an additional view of measurement, the angular dimension. Multi-angle imaging spectroscopy is conceived to provide a more accurate characterization of planetary materials and a higher success in separating the signals coming from the atmosphere and the surface. The Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) aboard the Mars Reconnaissance Orbiter is a hyperspectral camera that operates systematically in multi-angle mode from space. Nonetheless, multi-angle hyperspectral images are related to problems of manipulation, visualization and analysis because of their size and complexity. In this framework, this PhD thesis proposes robust statistical and physical algorithms to analyze images acquired by the CRISM instrument in an efficient manner. First, I propose a tailor-made data pipeline aimed at improving the radiometric quality of CRISM data and generating advanced products, the latter data being devised to perform fine analysis of the planet Mars. Second, I address the atmospheric correction of CRISM imagery by exploiting the multi-angle capabilities of this instrument. An innovative physically-based algorithm compensating for atmospheric effects is put forward in order to retrieve surface reflectance. This approach is particularly used in this thesis to infer the photometric properties of the materials coexisting in a specific site of Mars, the Gusev crater. Third, I perform an intercomparison of a selection of state-of-the-art techniques aimed at performing spectral unmixing of hyperspectral data acquired by the CRISM instrument. These statistical techniques are proved to be useful when analyzing hyperspectral images in an unsupervised manner, that is, without any a priori on the scene. An original strategy is proposed to discriminate the most suitable techniques for the exploration of Mars based on ground truth data built from independent high resolution imagery

La thermographie infrarouge médicale est une méthode quantitative permettant d'identifier une température irrégulière à des fins de diagnostic médical. Une température corporelle anormale étant un signe naturel de maladie, les données de cette modalité peuvent être utilisées pour détecter des maladies ou des anomalies physiologiques, comme le pied diabétique qui est le sujet de cette thèse Selon la Fédération internationale du diabète, près d'un demi-million de personnes ont été diagnostiquées avec un diabète sucré en 2019. La neuropathie périphérique peut toucher 40 % à 60 % des individus en raison de problèmes liés au pied diabétique. L'amputation sous l'articulation du genou en tant qu'opération préventive est un risque courant chez ces personnes, et on estime qu'une amputation se produit toutes les 30 secondes dans le monde. Actuellement, l'IRM, la radiographie et la thermographie, ainsi que les techniques de traitement de l'image, font partie des modalités d'imagerie médicale utilisées pour diagnostiquer précocement le pied diabétique. La thermographie infrarouge médicale, quant à elle, est une approche passive sans contact, non invasive et non ionisante. L'imagerie infrarouge du pied diabétique repose encore principalement sur des images 2D qui ne montrent qu'une partie de l'anatomie. Dans ce scénario, un modèle thermique 3D permettrait une meilleure observation et inspection de la région d'intérêt, qui comprend les zones plantaires, latérale et dorsale. L'utilisation de la modélisation 3D pour le diagnostic du pied diabétique a été documentée dans quelques articles au moment de la publication de cette thèse.La méthode proposée utilise une série d'images infrarouges et à spectre visible fusionnées comme données d'entrée pour l'estimation du nuage de points 3D et la reconstruction de surface, basée sur les méthodes Structure from Motion et Multi-view Stereo. Cependant, la segmentation dans les images thermiques est une tâche qui reste manuelle puisque la détection des caractéristiques descriptives est presque impossible dans les images fausses couleurs. Par conséquent, cette thèse présente une méthode de segmentation automatique basée sur le traitement des informations radiométriques avant de générer une image en fausses couleurs. Le traitement des données radiométriques est une alternative au traitement d'image numérique en raison de la possibilité d'éliminer les interférences thermiques (par exemple la lampe, les ombres thermiques, ou même les parties du corps du patient) sur la base de critères de seuil de température, d'améliorer le contraste des couleurs, de segmenter la région d'intérêt, et de combiner sur des images du spectre visible.Les images multimodales fusionnées ont été utilisées comme informations d'entrée pour l'estimation de la surface 3D du pied. Le modèle obtenu était doté d'une échelle de température liée aux données radiométriques obtenues par chaque volontaire, ainsi que de la possibilité de faire pivoter le modèle pour observer chaque point de vue. Les résultats montrent que le modèle multimodal 3D est réalisable, permettant une visualisation meilleure et plus rapide de la distribution de la température lors du diagnostic du pied diabétique. La contribution de cette thèse concerne l'acquisition d'un modèle 3D avec des informations thermiques et la segmentation automatique dans les images thermiques pour la fusion multimodale. La perspective est la validation clinique pour tester l'assistance dans le diagnostic du pied diabétique. Cependant, du point de vue expérimental/théorique, il est envisagé d'étudier la précision du recalage des images avec la méthode proposée de segmentation automatique, et la précision thermique et spatiale des modèles 3D réalisés avec des fantômes
Medical infrared thermography is a quantitative method for identifying irregular temperatures for medical diagnosis. Because abnormal body temperature is a natural sign of illness, this modality's data can be used to detect disease or physiological abnormalities, such as diabetic foot which is the subject of this thesis According to the International Diabetes Federation, nearly half a million people were diagnosed with diabetes mellitus in 2019. Peripheral neuropathy may affect 40 % to 60 % of individuals because of diabetic foot issues. Amputation below the knee joint as a preventive operation is a common risk among these individuals, and it is estimated that one amputation occurs every 30 seconds around the world. Currently, MRI, radiography, and thermography, together with image processing techniques, are among the medical imaging modalities utilized to diagnose the diabetic foot early. Medical infrared thermography, on the other hand, is a non-contact, non-invasive, and non-ionizing passive approach. Infrared imaging of the diabetic foot is still mostly reliant on 2D images that only show a portion of the anatomy. In this scenario, a 3D thermal model would allow for better observation and inspection of the region of interest, which includes the plantar, lateral, and dorsal areas. The use of 3D modeling for the diagnosis of the diabetic foot has been documented in a few articles at the publication of this thesis.The proposed method employs a series of merged infrared and visible spectrum images as data input for the 3D point cloud estimation and surface reconstruction, based on Structure from Motion and Multi-view Stereo methods. However, segmentation in thermal images is a task that remains manually performed since the detection of descriptive features is almost impossible in false-color images. Therefore, this thesis presents an automatic segmentation method based on the processing of radiometric information before generating a false-color image. Radiometric data processing is an alternative to digital image processing due to the feasibility to remove thermal interferences (e.g. lamp, thermal shadows, or even patient body parts) based on temperature threshold criteria, improving color contrast, and segmenting the region of interest, and combine onto visible spectrum images.The fused multimodal images were used as input information for the estimation of the 3D surface of the foot. The obtained model was provided with a temperature scale related to the radiometric data obtained by each volunteer, as well as the possibility to rotate the model to observe each viewpoint. The findings show that the 3D multimodal model is feasible, allowing for better and faster visualization of temperature distribution during diabetic foot diagnosis. The contribution of this thesis concerns the acquisition of a 3D model with thermal information and automatic segmentation in thermal images for multimodal fusion. The perspective is the clinical validation to pilot test the assistance in the diagnosis of diabetic foot. However, from the experimental/theoretical perspective, it is contemplated to study the accuracy of image registration with the proposed method of automatic segmentation, and the thermal and spatial accuracy of the 3D models carried out with phantoms

La technologie des microbolomètres est à ce jour la plus avancée pour l'imagerie IR non refroidie. Le LETI développe une technologie basée sur l'utilisation du silicium amorphe comme matériau thermistor. L'introduction d'un matériau alternatif doit permettre de poursuivre l'amélioration des performances. Cette étude considère une solution alternative à base de films minces d'oxydes nanocristallins. Deux procédés sont envisagés : le dépôt IBS et le dépôt MOCVD. L'étude des procédés ainsi que la caractérisation des matériaux ont permis la maîtrise et la compréhension des évolutions structurales et fonctionnelles mises en jeux. Des caractérisations électriques (résistivité, TCR, bruit en 1/f) sur dispositifs ont permis de débattre de l'intérêt de ces nouveaux matériaux. Une réflexion a été menée sur les relations microstructure-propriétés
Microbolometers FPAs are nowadays the most advanced technology for uncooled IR imaging. Developments at CEA-LETI are based on the use of amorphous silicon as thermistor material. Introduction of an alternative material is necessary to keep on improving detectors performances. This study considersnanocrystalline oxides thin films as an alternative material. Two deposition techniques have been studied : IBS and MOCVD. Process studies as well as materials characterizations allowed us to control and understand the involved micro-structural evolutions. Electrical characterizations (resistivity, TCR, 1/f noise) on integrated devices were achievedin order to estimate the potential of these new materials. Microstructure-property relationships are also discussed

Les astéroïdes primitifs sont des petits corps qui ont relativement peu évolué depuis leur formation. Ils nous renseignent sur la composition chimique du système solaire primitif et son évolution jusqu’à aujourd’hui. Avant les années 2020, les seuls potentiels analogues de ces objets dont nous disposions pour des analyses en laboratoire étaient les chondrites carbonées (CCs). Mais le lien entre les CCs et leurs corps parents astéroïdaux n'est pas encore clair, et la composition primitive des CCs est partiellement altérée par l’interaction avec l’atmosphère terrestre. C’est pourquoi dans les années 2010, deux missions spatiales ont observé et collecté des échantillons de la surface d’astéroïdes primitifs : ils représentent la première analyse en laboratoire de fragments représentatifs de leur corps parents. L’astéroïde géocroiseur de type C, (162173) Ryugu, a été la cible de la mission Hayabusa2 (JAXA). La sonde a réalisé deux collectes, prélevant des échantillons de la surface et de la sous-surface excavée par un impacteur artificiel. En décembre 2020, la capsule scellée contenant 5.4 g d’échantillons est revenue sur Terre et a été ouverte dans la Curation Facility (Sagamihara, Japon), un complexe contenant un ensemble d’enceintes propres pour réaliser une première analyse des grains, sans les exposer à l’atmosphère et en préservant leur intégrité. L’objectif de ma thèse a été de caractériser la composition des grains de Ryugu pour retracer l’évolution de la matière primitive à différentes étapes de l’histoire du système solaire. Pour cela, j’ai analysé les données acquises par MicrOmega, un imageur hyperspectral proche infrarouge (0.99 – 3.65 μm) installé dans la Curation Facility. MicrOmega permet une analyse de la composition minérale et organique des grains de manière non invasive. J’ai étudié la bande d’absorption à 2.7 μm, caractéristique de la vibration du groupe -OH dans les phyllosilicates des grains. J’ai réalisé une étude statistique sur les variations de position et de profondeur de la bande entre plusieurs centaines de grains millimétriques, qui témoignent une variation de composition des phyllosilicates. Cette analyse suggère qu’une partie des grains du site de collecte de surface ont été exposés à l’altération spatiale, un processus affectant la composition et la microstructure de la surface des corps sans atmosphères. À l’inverse, la totalité des grains provenant de la sous-surface ont subi une très faible exposition à l’environnement spatial. Cette étude montre aussi que les échantillons de Ryugu sont très appauvris en eau (H₂O) par rapport aux chondrites CI malgré leur minéralogie proche, et suggère qu’une partie importante de l’eau des CI pourrait être d’origine terrestre. J’ai ensuite étudié les variations de la forme et de la position de la bande à 2.7 μm à la surface des grains. J’ai montré que l'hétérogénéité spectrale de la surface varie d'un grain à l'autre. Cette variation d'hétérogénéité pourrait être liée à des variations du degré d'altération aqueuse et/ou du degré d'altération spatiale sur des surfaces avec différentes rugosités. Cette étude montre le potentiel de l’imagerie hyperspectrale infrarouge pour détecter des variations dans le contenu en eau entre différents grains, sans biais par l’atmosphère terrestre. Ces travaux apportent une meilleure compréhension de l’évolution physique et chimique de la surface et de la sous-surface proche des astéroïdes primitifs. Ils apportent aussi de nouveaux éléments sur l’altération terrestre des chondrites carbonées, avec une implication sur la quantité d’eau dans les corps parents astéroïdaux des chondrites CI
Primitive asteroids are small bodies that have evolved relatively little since their formation. They contain information about the chemical composition of the early solar system and its evolution up to the present day. Before the 2020s, the only potential analogs of these objects available for laboratory analysis were carbonaceous chondrites (CCs). But the link between CCs and their asteroidal parent bodies is not yet clear, and the primitive composition of CCs is partially altered by interaction with the terrestrial atmosphere. This is why, in the 2010s, two space missions observed and collected samples from the surface of primitive asteroids: they represent the first laboratory study of fragments representing their parent bodies. The C-type near-Earth asteroid (162173) Ryugu, was the target of the Hayabusa2 mission (JAXA). The spacecraft performed two samplings, collecting surface and subsurface samples excavated by an artificial impactor. In December 2020, the sealed capsule containing 5.4g of samples returned to Earth and was opened in the Curation Facility (Sagamihara, Japan), a complex containing a set of clean chambers for carrying out an initial analysis of the grains, preserving their integrity and without exposing them to the terrestrial atmosphere. The aim of my thesis was to characterize the composition of Ryugu samples to retrace the evolution of the primitive matter at different stages in the history of the solar system. Thus, I analysed data acquired by the near-infrared (0.99 – 3.65 μm) hyperspectral microscope MicrOmega, installed in the Curation Facility. MicrOmega enables a non-invasive characterization of the mineral and organic composition of the grains. I studied the 2.7 μm band, characteristic of the vibration of the -OH group in the phyllosilicates of the samples. I carried out a statistical study of the variations in the position and depth of the band between several hundred millimetre-sized grains, which indicate a variation in the composition of the phyllosilicates. This analysis suggests that some of the grains collected at the surface experienced space weathering, a process that affects the composition and microstructure of the surface of airless bodies. Conversely, all the grains from the subsurface have undergone a limited exposure to the space environment. This study also shows that the Ryugu samples are depleted in water (H₂O) compared with CI chondrites, despite their similar mineralogy, and suggests that a significant proportion of the water in the CIs could be of terrestrial origin. I then studied the variations in the shape and position of the 2.7 μm band at the surface of the grains. I showed that the spectral heterogeneity of the surface varies from one grain to another. This variation in heterogeneity could be linked to variations in the degree of aqueous alteration and/or the degree of space weathering on surfaces with different roughnesses. This study shows the potential of infrared hyperspectral imaging to detect variations in the water content between the grains, without any bias by the terrestrial atmosphere. This work provides a better understanding of the physical and chemical evolution of the surface and the near subsurface of primitive asteroids. It also provides new insights on the terrestrial alteration of carbonaceous chondrites, with implications for the quantity of water in the asteroidal parent bodies of CI chondrites

The Antennae (22 Mpc) is one of the most well-known mergers in the nearby Universe. Its distance allow us to observe and study the gas at the scales of stellar cluster formation. It is an ideal source to understand how the galaxy dynamics in mergers trigger the formation of stars. Most of the stars in the Antennae are formed in compact and massive stellar clusters, dubbed super-star clusters (SSCs). The most massive (>106 M⊙) and youngest (<6 Myr) SSCs are located in the overlap region, where the two galaxies collide, and are associated with massive (several 108 M⊙) and super-giant (few hundred of pc) molecular complexes (SGMCs). The formation of SSCs must involve a complex interplay of merger-driven gas dynamics, turbulence fed by the galaxy interaction, and dissipation of the kinetic energy of the gas. Within SGMCs, a hierarchy of structures must be produced, including dense and compact concentrations of molecular gas massive enough to form SSCs, pre-cluster clouds (PCCs). For star formation to occur, the mechanical energy of PCCs must be radiated away to allow their self-gravity to locally win over their turbulent gas pressure. Specific tracers of turbulent dissipation are therefore key inputs to test the validity of this theoretical scenario. In my thesis, I studied the Antennae overlap region. My work is based on observations with the SINFONI spectro-imager at the VLT, which includes H2 rovibrational and Brγ line emission, and with ALMA, which includes the CO(3-2) line and dust continuum emission. Both data-sets have the needed sub-arcsecond angular resolution to resolve the scales of SSC formation. The spectral resolutions are enough to resolve motions within SGMCs. Combining CO and H2 line emission is key in my PhD work. I use CO as a tracer of the distribution and kinematics of the molecular gas, and H2 as a tracer of the rate at which the gas mechanical energy is dissipated.My thesis focuses on diverse sources in the Antennae overlap region which trace different stages of star formation: the gathering of mass necessary to form SGMCs, the formation of PCCs within SGMCs and the disruption of a parent cloud by a newly formed SSC. I show that at each stage turbulence plays a key role. I found that the kinetic energy of the galaxies is not thermalized in large scale shocks, it drives the turbulence in the molecular ISM at a much higher level than what is observed in the Milky Way. Near-IR spectral diagnostics show that, outside of SSCs embedded in their parent clouds, the H2 line emission is powered by shocks and traces the dissipation of the gas turbulent kinetic energy. I relate the H2 emission to the loss of kinetic energy required to form gravitationally bound clouds. This interpretation is supported by the discovery of a compact, bright H2 source not associated with any known SSC. It has the largest H2/CO emission ratio and is located where the data show the largest velocity gradient in the interaction region. To our knowledge, this is the first time that an extragalactic source with such characteristics is identified. We would be witnessing the formation of a cloud massive enough to form a SSC. The data also allow us to study the disruption of a parent molecular cloud by an embedded SSC. Its matter is loosely bound and its gravity would be supported by turbulence, which makes it easier for feedback to disrupt the parent cloud. I end my manuscript presenting two projects. I propose to establish additional energy dissipation tracers observable with ALMA, which gives us the high spatial and spectral resolution needed to isolate scales at which clusters form. This is a Cycle 1 proposal accepted in first priority. I also plan to expand my work to other nearby extragalactic sources by investigating the turbulence-driven formation of stars in different extragalactic sources by combining near-IR and submillimeter observations.

Après une étude théorique, puis modélisée, de l'analyse d'une image dans le plan focal d'un télescope par un détecteur à deux dimensions (chapitre 1) et un bref rappel de physique du solide (chapitre 2) on étudie un détecteur infrarouge bidimensionnel de 32x32 l'IRCCD. La description d'une caméra astronomique basée sur ce détecteur, et des choix effectués dans sa réalisation est donnée (chapitre 3). L'attention est portée sur les problèmes de l'observation sous fort flux de photons du fond. Un chapitre entier est consacré à une étude détaillée de l'IRCCD et de ses caractérisriques (chapitre 4). On décrit ensuite l'ensemble du système monté sur télescope, ainsi que les procédures d'observation adoptées (chapitre 5). Quelques résultats de mesure et de calibration sur télescope sont proposés. Le dernier chapitre est consacré à la présentation de résultats astrophysiques préliminaires.

Hfq est une protéine bactérienne qui a un rôle pleiotropique. La principale fonction de la protéine Hfq bactérienne consiste à répondre aux stress que peut rencontrer la bactérie lors d’un changement environnemental, en utilisant essentiellement un contrôle post-transcriptionnel. La protéine, par sa capacité à interagir avec les ARN et notamment les petits ARN non codant, permet ainsi une régulation rapide de l’expression génétique. En outre la protéine interagit aussi avec l’ADN qu’elle aide à se structurer. Les mutations dans le gène qui code pour Hfq ont des effets pleïotropes (déterminant plusieurs caractères phénotypiques).D’un point de vue structural, la protéine adopte un repliement de type Sm, caractérisé par un oligomère toroïdal reposant sur la formation d’un feuillet β continu à 30 brins. Cependant, outre cette région Sm N-terminale, Hfq possède également une région C-terminale (CTR) de taille et de séquence variables selon les bactéries. Mon travail de thèse a porté sur l’analyse de cette région CTR chez la bactérie Escherichia coli. Cette région a en effet la capacité de former une structure de type amyloïde : structures auto-assemblées in vivo, à proximité de la membrane interne et dans le nucléoïde.Par l’utilisation de diverses techniques physico-chimiques (microscopie moléculaire, spectroscopie et microscopie infrarouge, dichroïsme circulaire et diffusion aux petits angles), mon travail a consisté à caractériser l’assemblage de cette région de Hfq ainsi que les facteurs l’influençant en particulier la présence d’acide nucléique. Une partie de mon travail de thèse a aussi consisté à mettre en place une méthode d’imagerie corrélative innovante permettant d’analyser la signature chimique et morphologique d’une fibre amyloïde unique. Mon travail a enfin porté sur l’analyse de l’effet de composés inhibant l’agrégation de la structure amyloïde, ce qui pourrait constituer une piste pour développer une nouvelle classe d’antibiotiques
Hfq is a pleiotropic bacterial protein that determines several phenotypic characteristics. Its main function is to facilitate responses to stresses that bacteria may encounter during environmental changes, mainly by using post-transcriptional genetic control. The protein, by its capacity to interact with RNA, in particular small non-coding RNA, enables a rapid regulation of gene expression. In addition, the protein also interacts with DNA and compacts it. From a structural point of view, the protein adopts an Sm-like fold, characterized by a toroidal oligomer formed by a continuous 30-stranded β-sheet. Besides its conserved N-terminal Sm domain, Hfq also possesses a C-terminal region (CTR) that can vary in size and sequence between bacteria. My PhD work focused on the analysis of this CTR region in Escherichia coli bacteria. Indeed, this region has the capacity to form an amyloid structure. This structural dynamic is related to the formation of self-assembled structures in vivo, in the proximity of the inner membrane and in the nucleoid.Using various physicochemical techniques (molecular microscopy, spectroscopy and infrared microscopy, circular dichroism and small angle X-ray scattering), my work consisted in characterizing the assembly of this region of Hfq, as well as the factors influencing its assembly (in particular, the presence of nucleic acids). A part of my work consisted in setting up an innovative correlative–imaging method to analyze the chemical and morphological signature of a single amyloid fibre. Finally, my work focused on the analysis of the effect of compounds that inhibit the aggregation of the amyloid structure, which could constitute a new way to develop a novel class of antibiotics

Ce travail de thèse concerne le suivi d'une caméra infrarouge sensible dans la gamme 1-5 p.m (COMIC), depuis la caractérisation en laboratoire de la mosaïque de détecteurs, jusqu'à son utilisation dans le cadre d'observations astronomiques, sur le système d'Optique Adaptative ADONIS au télescope de 3.60 m de l'Observatoire Européen Austral (ESO), au Chili. Ce manuscrit comporte trois parties qui suivent l'enchainement chronologique "naturel" de l'étude, dans des lieux de travail différents. La première partie concerne la mosaïque de détecteurs COMIC (IRCCD 128X128 HgCdTe), en commençant par sa caractérisation en laboratoire, pour finir par sa mise en opération sous télescope, au sein de la caméra COMIC. Elle s'est d'abord déroulée au sein du Laboratoire Infrarouge (LETI/DOPT/CEA-Grenoble), puis à l'ESO, au Chili. La deuxième partie traite des spécificités de l'observation infrarouge avec un instrument d'Optique Adaptative. Cette partie est le résultat de l'expérience acquise au cours d'un long séjour à l'ESO. Elle unit le point de vue technique de la première partie à celui de l'astronome utilisateur. Enfin, une illustration du potentiel de l'instrument (COMIC+ADONIS) est donnée en troisième partie dans le cadre d'un programme astronomique bien défini: l'étude de la matière circumstellaire dans des systèmes binaires pré-Séquence Principale. Cette dernière étude a été menée à l'Observatoire de Grenoble.

Le Lebanese Atomic Energy Commission (LAEC) poursuit un programme de développement des techniques analytiques pour compléter l'analyse par faisceau d'ions (IBA). Il a décidé de s'équiper d'un spectromètre de masse couplée à l'imagerie 2D puis récemment 3D avec l'acquisition d'un spectromètre de masse IONTOF V™ équipé de deux colonnes ioniques délivrant des faisceaux d'agrégats de bismuth et d'argon. Dans ce cadre, mon sujet de thèse a porté sur l'optimisation de l'instrument nouvellement acquis pour l'analyse d'échantillons contenant des composés organiques. Les premiers sujets de recherche sont la mise au point du protocole d'analyse quantitative de médicaments en utilisant la technique " cluster-SIMS-imaging " et l'analyse de la météorite Paris pour localiser la matière organique et déterminer sa composition. Dans les deux cas une approche multi-technique a été utilisée : IBA au LAEC, µ-Raman et µ-IR autour des équipements de Soleil et µPIXE réalisée auprès de l'accélérateur AGLAE (Centre de recherche et de restauration des musées de France, C2RMF).L'analyse de médicaments a été initiée au Liban en collaboration avec un fabricant local de produits pharmaceutiques (Mediphar Laboratories) dans le but d'établir de nouveaux procédés de contrôle qualité de produits finis. Mon étude a montré la complexité du dosage de médicament due à la présence de plusieurs molécules actives (Principe Actif, PA) et de substances organiques et minérales inactives (excipients) mélangées dans des conditions secrètes. Les effets de matrice sont dominants et modifient l'émission ionique conduisant à des erreurs systématiques importantes. Cette complexité a été analysée avec l'étude du Fludinium™ possédant deux PAs. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir la première courbe d'étalonnage du rapport des deux PAs et de quantifier ceux-ci dans les conditions du médicament commercial. Le protocole pour effectuer cette courbe d'étalonnage et les contrôles " qualité " ont été déterminés. Ceux-ci incorporeront une analyse en profil pour contrôler l'homogénéité des échantillons et l'obtention d'étalons produits par le fabricant en suivant ses processus de fabrication. En effet, les expériences ont montré que la réalisation du médicament en laboratoire à partir de ses éléments (PAs et excipients) ne donnait pas la même réponse ionique que le médicament commercial. L'analyse de la météorite Paris a été initiée par une collaboration avec une équipe de l'Institut d'Astrophysique Spatial d'Orsay impliquée dans l'exobiologie et la recherche des premières molécules pré-biotiques dans des échantillons extraterrestres. Le but des recherches est de caractériser la matière organique représentant quelques pourcents en poids dans une matrice minérale complexe, sans utiliser des méthodes chimiques pouvant induire une modification de ces molécules. Cette étude a démontré l'intérêt de l'approche multi-technique centrée autour de la spectrométrie de masse couplée à l'imagerie ionique pour déterminer les éléments principaux de la matrice minérale et organique. L'analyse par µPIXE avec une cartographie micrométrique a permis d'attribuer les distributions d'ions moléculaires et agrégats des spectres de masse aux différents composés minéraux. Ces attributions se poursuivent avec la constitution d'une base de données de spectres de référence. La composante organique a été extraite et les premières hypothèses de composition ont été envisagées autour des HAPs (Hydrocarbure Aromatique Polycyclique), MOI (Matière Organique Insoluble) et analogues de carbone amorphe produits par irradiation UV de glaces dont les compositions en gaz représentent différentes hypothèses pour les nuages interstellaires. Les protocoles d'analyses multi-techniques établis (incorporant un suivi de l'échantillon par spectrométrie de masse et imagerie ionique) permettent le démarrage d'analyse d'autres échantillons extra-terrestres collectés sur terre ou dans l'espace.

Une nouvelle génération de spectromètres imageurs émerge dans le domaine de l'exploration spatiale par l'ajout d'une dimension supplémentaire de mesure, la dimension angulaire. L'imagerie spectroscopique multi-angulaire est conçue pour fournir une caractérisation plus précise des matériaux planétaires et permet une meilleure séparation des signaux provenant de l'atmosphère et la surface. Le capteur Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter est une caméra hyperspectrale qui fonctionne systématiquement dans le mode multi-angulaire depuis l'orbite. Néanmoins, les images multi-angulaires hyperspectrales posent certains problèmes de manipulation, de visualisation et d'analyse en raison de leur taille et de leur complexité. Dans ce cadre, cette thèse propose des algorithmes statistiques et physiques pour analyser les images acquises par l'instrument CRISM de manière efficace et robuste. Premièrement, je propose une chaîne de post-traitement visant à améliorer la qualité radiométrique des données CRISM et à générer des produits améliorés, ces dernières données étant conçues pour permettre une analyse fine de la planète Mars. Deuxièmement, je m'intéresse à la correction atmosphérique des images CRISM en exploitant les capacités multi-angulaires de cet instrument. Un algorithme innovant, à base physique est mis en oeuvre pour compenser les effets atmosphériques afin d'estimer la reflectance de surface. Cette approche est particulièrement utilisée dans cette thèse pour déduire les propriétés photométriques des matériaux qui coexistent dans un site spécifique de Mars, le cratère de Gusev. Troisièmement, j'effectue une comparaison d'une sélection des meilleurs techniques existantes, visant à réaliser une déconvolution spectrale des données acquises par l'instrument CRISM. Ces techniques statistiques se sont avérées utiles lors de l'analyse d'images hyperspectrales de manière non supervisé, c'est a dire, sans aucun a priori sur la scène. Une stratégie originale est proposée pour discriminer les techniques les plus appropriées pour l'exploration de Mars, à partir de données indépendantes provenant d'autres capteurs d'imagerie haute résolution afin de construire une vérité de terrain.

La recherche de nouvelle génération de marqueurs est cruciale pour une meilleure prise en charge des patients, que ce soit au niveau du diagnostic ou de la prédiction de la réponse au traitement. Contrairement aux approches standards visant une cible moléculaire précise, les techniques de spectroscopie vibrationnelle donnent accès à la constitution moléculaire globale d'un échantillon. Les travaux de l'unité BioSpecT ont montré que ces techniques permettaient d'apporter des informations sur l'organisation tissulaire complémentaires à l'histologie conventionnelle. Par exemple, l'analyse par imagerie spectrale de prélèvements tissulaires de lésions cancéreuses (côlon, peau, poumon) permet de mettre en évidence une hétérogénéité des zones tumorales et de caractériser finement le stroma. Une composante inflammatoire peut aussi être distinguer des autres structures. L'objectif de ce projet de thèse est d'exploiter les infor mations accessibles par spectroscopie vibrationnelle dans le cadre de pathologies spécifiques au côlon, afin d'extraire des marqueurs numériques caractérisant l'état physiopathologique des lésions étudiées. L'identification de tels marqueurs requiert de confronter les données spectroscopiques avec des informations de référence d'ordre clinique, histologique, biologique ou encore pharmacologique. Plus précisément, nous nous intéresserons principalement aux cancers du côlon métastatiques avec l'objectif d'identifier des marqueurs prédictifs de la réponse à la chimiothérapie. Pour les analyses, nous pourrons bénéficier non seulement d'échantillons de tissus humains (tumorothèque du CHU de Reims) mais également de xénogreffes réalisées chez la souris de façon à disposer de matériel obtenu selon des protocoles davantage standardisés. De manière complémentaire, une partie des travaux de recherche pourront être réalisés dans le cadre d'une étude débutante sur les maladies inflammatoires chr oniques de l'intestin, en focalisant les expérimentations sur la caractérisation de l'inflammation par spectroscopie vibrationnelle. Ces recherches seront menées en collaboration avec le service d'Oncologie Digestive (Pr O Bouché) du CHU de Reims, le laboratoire de Biopathologie (Pr A Marchal) du CHU de Reims et l'unité INSERM U1113 IRFAC (Dr D Guenot) de Strasbourg
The search for new generation markers is crucial for better patient management, both in terms of diagnosis and prediction of treatment response. Contrary to standard approaches targeting a specific molecular target, vibrational spectroscopy techniques give access to the global molecular constitution of a sample. The work of the BioSpecT unit has shown that these techniques can provide information on tissue organization that is complementary to conventional histology. For example, spectral imaging analysis of tissue samples from cancerous lesions (colon, skin, lung) can highlight the heterogeneity of tumor zones and finely characterize the stroma. An inflammatory component can also be distinguished from other structures. The objective of this thesis project is to exploit the information available by vibrational spectroscopy in the context of pathologies specific to the colon, in order to extract numerical markers charac terizing the physiopathological state of the lesions studied. The identification of such markers requires the comparison of spectroscopic data with clinical, histological, biological or pharmacological reference information. More precisely, we will focus on metastatic colon cancers with the objective of identifying predictive markers of response to chemotherapy. For the analyses, we will be able to benefit not only from human tissue samples (tumor library of the Reims University Hospital) but also from xenografts performed in mice in order to have material obtained according to more standardized protocols. In a complementary way, part of the research work could be carried out within the framework of a study on chronic inflammatory bowel diseases, by focusing the experiments on the characterization of inflammation by vibrational spectroscopy. This research will be carried out in collaboration with the Digestive Oncology Department (Pr O Bouché) of the Reims University Hospital, the Biopathology Laboratory (Pr A Marchal) of the Reims University Hospital and the INSERM U1113 IRFAC unit (Dr D Guenot) of Strasbourg

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device.
La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.

Thermal infrared (IR, 10.5 – 12.5 m) images from the Meteosat Visible and Infrared Imager (MVIRI) of cold cloud episodes (cloud top brightness temperature < 241 K) are used as a proxy of precipitating clouds to derive a warm season (May-August) climatology of their coherency, duration, span, and speed over Europe and the Mediterranean. The analysis focuses over the 30°-54°N, 15°W-40°E domain in May-August 1996-2005. Harmonic analysis using discrete Fourier transforms is applied together with a statistical analysis and an investigation of the diurnal cycle. This study has the objective to make available a set of results on the propagation dynamics of the cloud systems with the aim of assist numerical modellers in improving summer convection parameterization. The zonal propagation of cold cloud systems is accompanied by a weak meridional component confined to narrow latitude belts. The persistence of cold clouds over the area evidences the role of orography, the Pyrenees, the Alps, the Balkans and Anatolia. A diurnal oscillation is found with a maximum marking the initiation of convection in the lee of the mountains and shifting from about 1400 UTC at 40°E to 1800 UTC at 0°. A moderate eastward propagation of the frequency maximum from all mountain chains across the domain exists and the diurnal maxima are completely suppressed west of 5°W. The mean power spectrum of the cold cloud frequency distribution evidences a period of one day all over Europe disappearing over the ocean (west of 10°W). Other maxima are found in correspondence of 6 to 10 days in the longitudes from 15° W to 0° and indicate the activity of the westerlies with frontal passage over the continent. Longer periods activities (from 15 up to 30 days) were stronger around 10° W and from 5° W to 15° E and are likely related to the Madden Julian Oscillation influence. The maxima of the diurnal signal are in phase with the presence of elevated terrain and with land masses. A median zonal phase speed of 16.1 ms-1 is found for all events ≥ 1000 km and ≥ 20 h and a full set of results divided by years and recurrence categories is also presented.

Thermal infrared (IR, 10.5 – 12.5 m) images from the Meteosat Visible and Infrared Imager (MVIRI) of cold cloud episodes (cloud top brightness temperature < 241 K) are used as a proxy of precipitating clouds to derive a warm season (May-August) climatology of their coherency, duration, span, and speed over Europe and the Mediterranean. The analysis focuses over the 30°-54°N, 15°W-40°E domain in May-August 1996-2005. Harmonic analysis using discrete Fourier transforms is applied together with a statistical analysis and an investigation of the diurnal cycle. This study has the objective to make available a set of results on the propagation dynamics of the cloud systems with the aim of assist numerical modellers in improving summer convection parameterization. The zonal propagation of cold cloud systems is accompanied by a weak meridional component confined to narrow latitude belts. The persistence of cold clouds over the area evidences the role of orography, the Pyrenees, the Alps, the Balkans and Anatolia. A diurnal oscillation is found with a maximum marking the initiation of convection in the lee of the mountains and shifting from about 1400 UTC at 40°E to 1800 UTC at 0°. A moderate eastward propagation of the frequency maximum from all mountain chains across the domain exists and the diurnal maxima are completely suppressed west of 5°W. The mean power spectrum of the cold cloud frequency distribution evidences a period of one day all over Europe disappearing over the ocean (west of 10°W). Other maxima are found in correspondence of 6 to 10 days in the longitudes from 15° W to 0° and indicate the activity of the westerlies with frontal passage over the continent. Longer periods activities (from 15 up to 30 days) were stronger around 10° W and from 5° W to 15° E and are likely related to the Madden Julian Oscillation influence. The maxima of the diurnal signal are in phase with the presence of elevated terrain and with land masses. A median zonal phase speed of 16.1 ms-1 is found for all events ≥ 1000 km and ≥ 20 h and a full set of results divided by years and recurrence categories is also presented.

Une gestion thermique efficace est souvent considérée comme une étape clé vers un système technologique réussi. L'élimination rapide de l'excès de chaleur, des systèmes électroniques exposés à des températures extrêmes, améliore la fiabilité et empêche la défaillance prématurée de ces systèmes. De nos jours, les approches habituelles, pour évacuer la chaleur et maintenir le système à une température souhaitée, consistent à utiliser un dissipateur thermique à semi-conducteur ou un système complexe de contrôle de vitesse de ventilateur qui repose sur une mesure continue de la température. Cependant, l'optimisation d'un dissipateur thermique à semi-conducteur très efficace nécessite le contrôle de diverses propriétés intrinsèques et extrinsèques à différentes échelles, car le flux thermique macroscopique et le transport de chaleur dépendent des propriétés vibrationnelles microscopiques. En outre, l'utilisation généralisée de dissipateurs thermiques à semi-conducteurs hautement efficaces nécessite la capacité de les métalliser et de former des structures multicouches. En raison de ses vitesses de groupe de phonons élevées, le nitrure d'aluminium (AlN) semble être l'un des meilleurs candidats pour la fabrication de dissipateurs thermiques à semi-conducteurs efficaces. Dans cette thèse, nous avons comme objectif de développer une nouvelle technologie d’un substrat à base de la structure Métal/AlN/Métal à haute diffusivité thermique pour des applications à haute température (>300°C). Cette thèse vise à développer des technologies d'électronique de puissance hautement efficaces, intégrées et fiables fonctionnant à haute température pour l'automobile, l'aéronautique et l'énergie. Dans un premier temps, nous avons élaboré des films minces de molybdène pour métalliser le nitrure d'aluminium et synthétiser nos nouveaux substrats de dissipateur thermique pour les modules de puissance. Ensuite, nous avons optimisé les dispositifs établis en étudiant leurs propriétés physico-chimiques et en mettant l'accent sur leurs performances thermiques. Enfin, nous avons étudié les performances des échantillons en utilisant une imagerie souterraine et tout en augmentant la température afin de surveiller la formation de défauts. La caractérisation thermique et l'imagerie souterraine des échantillons ont été effectuées à l'aide de notre nouvelle configuration de déviation de faisceau photo-thermique, dans laquelle nous installons un laser IR pour chauffer les échantillons et qui génère des bosses thermiques qui sont mesurées par des faisceaux de sonde déviant à différents endroits de l'échantillon
Efficient thermal management is often considered a key step towards a successful technological system. The fast removal of excess heat from electronic systems exposed to temperature extremes improves the reliability and prevents the premature failure of these systems. Nowadays, the usual approaches to evacuate heat and maintain the system at the desired temperature consist in using a semiconductor heat sink or a complex fan speed control system that relies on continuous temperature measurement. However, the optimization of a highly efficient semiconductor heat sink requires the control of diverse intrinsic and extrinsic properties at different scales because the macroscopic thermal flow and heat transport depend on microscopic vibrational properties. Besides, widespread use of highly efficient semiconductor heat sinks requires the ability to metalize them and form multilayer structures. Due to its high phonon group velocities, Aluminium Nitride (AlN) appears to be one of the best candidates for the manufacturing of efficient semiconductor heat sinks. In this PhD. thesis work, we intend to develop a new substrate technology Metal/AlN/Metal structures with high thermal diffusivity for integrated power systems for high-temperature applications (>300°C). This PhD. Aims at developing highly efficient, integrated and reliable power electronics technologies operating at high temperatures for automotive, aeronautic, and energy applications

The region of the optical spectrum known as the thermal infrared (TIR) has long been a waveband of interest for space-based Earth observation. By mapping thermal variations, on-orbit TIR imaging radiometers can provide a significant amount of information regarding the temperature and emissivity profiles of the ground scene. The traditional approach to space-borne TIR instrument design usually focuses on high radiometric sensitivity and hence, typically relies on expensive and bulky cryogenically-cooled detector technology. This approach yields instruments that are very precise but are cost- and/or size-limited for flight on single large-scale satellite platforms. While these systems serve the bulk of the TIR user community needs, there are numerous user groups still ill-served due to the finite data products offered by these handful of instruments. The main objective of this thesis is to advance the field of TIR instrument design by developing a novel TIR imager, affordable and compact enough for flight on multiple microsatellite platforms, therefore enabling low-cost high temporal/medium spatial resolution TIR data products. Leveraging the latest low-cost miniaturization developments in the terrestrial uncooled TIR detector industry has been the key to reducing instrument cost and size. In this thesis, a 6 kg thermal infrared (TIR) imaging radiometer, compatible with a Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) Disaster Monitoring Constellation (DMC) micro-satellite has been designed. The flight instrument concept utilizes two commercial-off-the-shelf (COTS) un-cooled microbolometer arrays in a pushbroom configuration to collect Earth observation data in two TIR wavebands (3-5 and 8-12 mum). After the bench-top characterisation of a prototype, a computer model was created to predict the expected on-orbit performance. Analysis has shown that a flight version of this instrument flown in the DMC would yield a 0.4 K noise equivalent temperature difference (NETD) for a 300 K ground scene, a 300-metre ground sample distance (GSD), and a 1 to 7 day ground revisit time, depending on the instrument and constellation configuration. Its application in specific niche or currently ill-served mission areas, such as autonomous global thermal change detection dedicated to highly specialized user communities, is proposed.

Les travaux présents dans ce mémoire concernent l'imagerie par voie optique proche infrarouge dans un milieu qui diffuse la lumiere. L'application visee est une imagerie in vivo de l'intérieur des tissus biologiques. Deux techniques expérimentales différentes, opérant en configuration de retrodiffusion, ont ete développées. Leur principe commun est la sélection temporelle de la lumière revenant de l'objet éclaire. Pour la première technique, l'amplification paramétrique optique en régime femtoseconde a permis la réalisation d'une porte temporelle de 200 femtosecondes. Les images résolues temporellement sont obtenues a la cadence vidéo, directement a deux dimensions. Le choix d'un accord de phase non colineaire de type ii permet a la fois l'optimisation de la résolution spatiale latérale et l'obtention des images résolues temporellement sur fond noir. Les performances de cette technique ont été évaluées a travers différents milieux artificiels, liquides ou solides, qui diffusent plus ou moins fortement vers l'avant. Pour la seconde technique, une diode superluminescente remplace avantageusement la source laser femtoseconde de la technique precedente. C'est alors la faible longueur de cohérence temporelle de la source lumineuse qui permet la selection temporelle du signal lumineux grâce a une mesure interferometrique. Pour cette technique, connue sous le nom de tomographie optique cohérente (oct), nous avons mis en uvre un système de détection hétérodyne en modulant la phase du faisceau signal grâce a l'effet electro-optique. Des images de tissus biologiques, acquises point par point, ont pu ainsi être réalisées : par exemple une coupe longitudinale d'un il de lapin et une image 2d, perpendiculairement a sa surface, d'un oignon.

Using the Gemini Planet Imager located at Gemini South, we measured the near-infrared (1.0-2.4 mu m) spectrum of the planetary companion to the nearby, young star beta. Pictoris. We compare the spectrum obtained with currently published model grids and with known substellar objects and present the best matching models as well as the best matching observed objects. Comparing the empirical measurement of the bolometric luminosity to evolutionary models, we find a mass of 12.9. +/- 0.2. M-Jup, an effective temperature of 1724. +/- 15 K, a radius of 1.46. +/- 0.01. R-Jup, and a surface gravity of log g = 4.18. 0.01 [dex] (cgs). The stated uncertainties are statistical errors only, and do not incorporate any uncertainty on the evolutionary models. Using atmospheric models, we find an effective temperature of 1700-1800 K and a surface gravity of log g = 3.5-4.0 [dex] depending upon the model. These values agree well with other publications and with "hot-start" predictions from planetary evolution models. Further, we find that the spectrum of beta Pic. b best matches a low surface gravity L2. +/- 1 brown dwarf. Finally, comparing the spectrum to field brown dwarfs, we find the the spectrum best matches 2MASS J04062677- 381210 and 2MASS J03552337 + 1133437.

Analisi del sottosistema di telecomunicazione e del payload ottico di una missione CubeSat nei pressi di Phobos. Nell'analisi del sottosistema di telecomunicazione sono state analizzate le metodologie di trasmissione ed è stato svolto un link budget del sistema. Per quanto concerne il payload ottico sono stati presi in considerazione tutte le tipologie di imager ottici per CubeSat, con particolare riguardo per il sensore nello spettro ultravioleto, che è stato ideato su misura per la missione.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude, la conception et le développement de deux nouveaux prototypes de reconstruction tridimensionnelle, spécifique aux objets transparents. La numérisation 3D d'objets opaques est abondamment traitée dans la littérature et de nombreux systèmes sont d'ailleurs commercialisés. Cependant, lorsqu'il s'agit de la numérisation 3D d'objets transparents, les publications se font rares et aucun système de scanning n'existe sur le marché. La technique de numérisation de surfaces transparentes demeure compliquée et non maîtrisée à l'heure actuelle. L'opacification de la surface avant le scanning s'avère être la solution retenue dans le domaine du contrôle qualité. Néanmoins, cette alternative n'est pas optimale en raison du coût de traitements et du manque de précision éventuellement engendré. Afin de solutionner les problèmes de la numérisation d'objets transparents, nous avons développé deux approches dites non conventionnelles en étendant les méthodes existantes (dans le visible) aux longueurs d'onde dans lesquelles les sujets apparaissent opaques (IR et UV). Les deux méthodes de mesure sans contact retenues sont : - la reconstruction par polarisation dans l'IR, en vue de s'affranchir des problèmes d'inter-réflexions; - le scanning par laser UV, pour satisfaire les contraintes industrielles (précision, rapidité et coût) tout en résolvant de manière efficace le problème de réfraction. La première approche est fondée sur la réflexion spéculaire de l'objet dans l'IR tandis que la seconde exploite la propriété de l'objet à fluorescer sous l'irradiation UV. L'inexistence des lentilles télécentriques dans l'IR nous a conduits à adapter la reconstruction par polarisation dans l'IR à l'aide d'une lentille non télécentrique. Pour ce faire, une méthode d'approximation du modèle orthographique a été développée et une méthode de validation visant à améliorer la précision des résultats a été en outre intégrée dans le processus de reconstruction après l'étape d'estimation des paramètres de Stokes. Nos résultats sont très satisfaisants et attestent la faisabilité de la reconstruction par polarisation dans l'IR. Quatre configurations de système de scanning par triangulation ont été déployées afin d'exploiter la propriété de fluorescence des objets transparents irradiés sous un rayonnement UV. Des expérimentations visant à caractériser la fluorescence induite à la surface des objets considérés et à vérifier l'éligibilité de notre approche ont été menées. Les mesures spectroscopiques nous ont permis d'élaborer des critères de "tracking" (détection et localisation) des points fluorescents en présence des bruits inhérents à l'acquisition. Nous avons également mis au point des méthodes de validation des paramètres du modèle de reconstruction 3D estimés lors de la calibration, permettant ainsi d'optimiser la configuration du système de scanning. Les méthodes de "tracking" et de validation ont contribué considérablement à l'amélioration de la précision des résultats. Par ailleurs, la précision obtenue n'a jamais été atteinte au regard de ce que l'on trouve dans la littérature
Two non-conventional methods for the 3D digitization of transparent objects via non-contact measurement are reported in this thesis. 3D digitization is a well acknowledged technique for opaque objects and various commercial solutions based on different measurement approaches are available in the market offering different types of resolution at different prices. Since these techniques require a diffused or lambertian surface, their application to transparent surfaces fails. Indeed, rays reflected by the transparent surface are perturbed by diverse inter-reflections induced by the refractive properties of the object. Therefore, in industrial applications like quality control, the transparent objects are powder coated followed by their digitization. However, this method is expensive and can also produce inaccuracies. Among the rare methods suggested in the literature, shape from polarization provides reliable results even though their accuracy had to be improved by coping with the inter-reflections. The two proposed solutions handle the extension of the existing methods to wavelengths beyond visible ranges: - shape from polarization in Infra Red (IR) range to deal with the above-mentioned inter-reflections; - scanning by Ultra Violet (UV) laser (based on triangulation scheme) to overcome the refraction problem that can be feasibly applied in industrial applications. The characteristic physical properties of transparent objects led us to explore the IR and UV ranges; since, transparent glass has strong absorption bands in the IR and UV ranges and therefore has opaque appearance. The first approach exploits the specular reflection of the considered object surface in IR and the second one exploits the fluorescence property of the object when irradiated with UV rays. Shape from polarization traditionally based on telecentric lenses had to be adapted with non-telecentric lenses to be used in the IR range. Thus, an approximation of the orthographic model is developed in this thesis while a validation method is implemented and integrated in the reconstruction process after Stokes parameters estimation, in order to improve the accuracy of the results. Some results of digitized objects are presented, which prove the feasibility of the shape from polarization method in the IR range to be used for transparent objects. A total of four configurations of the triangulation system are implemented in this thesis to exploit fluorescence produced by the UV laser scanning of the second approach. Experimental investigations aimed at characterizing the fluorescence are done. A specific fluorescence tracking method is carried out to deal with the inherent noise in the acquisitions. The uniqueness of the method relies on the criteria that are derived from the analysis of spectroscopic results. A validation method is made to optimize the configuration system while reducing the accuracy of reconstruction error. The results of some object digitization are presented with accuracies better than previously reported works

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.
Polysaccharide hydrogels are biomaterials used as controlled drug delivery matrices and serve as model scaffolds for the study of many biological systems like bacterial biofilms and mucus. In every case, the transport of drugs or nutriments across a hydrogel matrix is of prime importance. Therefore, the study of transport properties in hydrogels is an important issue for many fields of application. In this work, curdlan, a neutral bacterial polysaccharide made of β-D-(1→3) glucose repeating units, is used as a model hydrogel. Aqueous suspensions of curdlan can form thermogels of different conformations depending on the incubation temperature. In situ characterization of the preparation of thermo-reversible (low-set) and thermo-irreversible (high-set) curdlan hydrogels was first carried out using variable temperature attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results allowed optimization of the gelling conditions leading to reproducible gel samples. Structural characterization of fully hydrated hydrogels, carried out by FT-IR imaging, environmental scanning electron microscopy (eSEM) and atomic force microscopy (AFM), allowed visualization of the different gel morphologies susceptible of influencing the diffusion of analytes in hydrogels. Our results show that both types of curdlan hydrogels have distinct microscopic architectures. The combination of pulsed field gradient (PFG) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and NMR profiling allowed the study of self-diffusion and mutual diffusion on the same hydrogel system in similar experimental conditions. We showed that the diffusion of analytes in the gels is slower than in the aqueous solution. The diffusion experiments, carried out on a series of analytes of various sizes in both types of curdlan gels, show a decrease of the relative self-diffusion coefficient as a function of the analyte size. In addition, our results suggest that the equivalence between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients measured in the high-set curdlan gels is mainly due to the fact that the environment probed by the analytes during a self-diffusion experiment is representative of the one probed during a mutual-diffusion experiment. In such conditions, our results show that PFG NMR may present a valuable approach for the characterization of controlled drug release systems. Additional experiments show that the mutual-diffusion coefficient of dextran macromolecules is smaller than its self-diffusion coefficient in the same curdlan hydrogel. The difference between both transport rates is attributed to the different environment volumes probed by the analytes during the measurements. The similarities observed between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients, measured in both types of curdlan gels for all investigated analytes, suggest a limited influence of the microscopic gel architecture on its transport properties. It is therefore concluded that the interactions affecting the diffusion of the investigated analytes in the curdlan hydrogels lie at the molecular scale.

Spectral reflectance of the Earth surface, obtained from the satellite images, should be independent from the external influences and should reflect the surface properties, specifically the proportion of the radiance reflected from the object. It was proved in this paper that the time series of the 63 images from the Landsat 5 satellite were visibly influenced by the external factors even in the case of the images already atmospherically corrected. These external factors were age of the image and WRS-2 position from which the image was obtained. Age of the image was documented with the steady decrease of the spectral reflectance values of the invariant features, especially in the visible part of the electromagnetic spectrum, caused by the sensor degradation. The influence of the WRS-2 position was documented especially in the infrared bands. The western parts of the images are lighter (have higher values of the surface reflectance) than the eastern parts. That may cause the difference between values when monitoring one spot in two overlapping WRS-2 positions. The method originally used for the relative radiometric normalization IR-MAD was here applied to normalize the surface reflectance data, and resulted in the fact that these influences did not show up any more. In order to extend the time...