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Optique grand-angle

Paire stéréoscopique Panormophe pour la reconstruction 3D d'objets dans une scène
Étudiante: Anne-Sophie Poulin-Girard

Les lentilles panoramiques crées au cours des dernières décennies possèdent des caractéristiques étonnantes comme un grandissement variable en fonction du champ de vue. C’est le cas de la lentille Panomorphe développée par la compagnie Immervision. Plutôt que de considérer la distorsion comme un inconvénient, elle est contrôlée lors du design afin de créer des zones de grandissement augmenté qui peuvent s'avérer un atout dans plusieurs domaines dont la reconstruction 3D d'objets dans une scène par stéréoscopie. Le dispositif de vision stéréoscopique proposé, formé de deux caméras munies de lentilles Panomorphes, aura donc plusieurs caractéristiques intéressantes. Il permettra une reconstruction 3D des objets dans une scène plus précise dans certaines zones que dans le cas d’un système utilisant des lentilles de type fisheye tout en conservant un champ de vue commun ou total très important. Comme les zones de grandissement augmenté sont situées de part et d’autre de l’axe optique, les lentilles Panomorphes pourront être placées en configuration convergente, canonique ou divergente, selon la position et le nombre de régions d’intérêt désirées. Bien que la calibration d'un tel système présente d'importants défis, la distorsion non-uniforme de certaines lentilles grand-angle offre un nouveau degré de liberté aux concepteurs de systèmes de vision qui permettra de mieux répondre aux spécifications d'applications particulières.

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A.-S. Poulin-Girard, S. Thibault et D. Laurendeau, "Passive stereoscopic panomorph system", Proceedings of SPIE Vol. 8650, 86500S (2013) 573 KB Download
A.-S. Poulin-Girard, X. Dallaire, A. Veillette, et al., "Study of camera calibration process with ray tracing", Proceedings of SPIE Vol. 9192, 91920B (2014) 809 KB Download
A.-S. Poulin-Girard, X. Dallaire, S. Thibault, and D. Laurendeau, "Virtual camera calibration using optical design software", Applied Optics, Vol. 53, Issue 13, pp. 2822-2827 (2014) 582 KB Download
Miniaturisation de caméras grand angle
Étudiant: Xavier Dallaire

Parmi les systèmes optiques, les lentilles grand angle (panomorphe et fisheye) sont des dispositifs extrêmement difficiles à miniaturiser, notamment à cause de leur nombre d’éléments optiques, leur forme et leur complexité (surface à forme libre). Les limites actuelles de miniaturisation (injection de plastique, moulage de verre) utilisées avec succès pour les optiques de téléphones cellulaires ne permettent pas de miniaturiser suffisamment la lentille grand angle classique. Il est donc nécessaire d’explorer des avenues moins conventionnelles si l’on désire que les systèmes grand angle soient bien intégrés dans l’environnement technologique moderne.

Le but du projet est d’utiliser les méthodes les plus avancées pour miniaturiser des systèmes optiques complexes. Plus spécifiquement :

• Développer des stratégies de conception pour la miniaturisation des lentilles à très grand champ de vue.
• Valider l’application de ces stratégies par des modèles virtuels.
• Développer et assembler le modèle le plus prometteur.
• Évaluer le prototype.

Pour parvenir à réaliser ce projet de recherche, il sera important d’explorer tout d’abord les techniques de miniaturisation et de simplification qui existent déjà et de voir quelles sont celles qui pourraient être adaptées à notre cas. On parle ici de matrices de microlentilles, de fragmentation de champ de vue, de reconstruction d’image, de techniques d’échantillonnage, de lentilles repliées, etc. De plus, plusieurs développements récents en optique pourront être mis à profit (nanowires et transformation optics). Une fois cette phase terminé, un ensemble de critère sera sélectionné pour permettre une comparaison adéquate des performances. Par la suite, des simulations numériques seront mises sur pied pour valider l’efficacité des différentes solutions. Ultimement, un prototype sera mis de l’avant et évalué.
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Métrologie et contrôle de front d'onde

Paire stéréoscopique Panormophe pour la reconstruction 3D d'objets dans une scène
Étudiante: Anne-Sophie Poulin-Girard

Les lentilles panoramiques crées au cours des dernières décennies possèdent des caractéristiques étonnantes comme un grandissement variable en fonction du champ de vue. C’est le cas de la lentille Panomorphe développée par la compagnie Immervision. Plutôt que de considérer la distorsion comme un inconvénient, elle est contrôlée lors du design afin de créer des zones de grandissement augmenté qui peuvent s'avérer un atout dans plusieurs domaines dont la reconstruction 3D d'objets dans une scène par stéréoscopie. Le dispositif de vision stéréoscopique proposé, formé de deux caméras munies de lentilles Panomorphes, aura donc plusieurs caractéristiques intéressantes. Il permettra une reconstruction 3D des objets dans une scène plus précise dans certaines zones que dans le cas d’un système utilisant des lentilles de type fisheye tout en conservant un champ de vue commun ou total très important. Comme les zones de grandissement augmenté sont situées de part et d’autre de l’axe optique, les lentilles Panomorphes pourront être placées en configuration convergente, canonique ou divergente, selon la position et le nombre de régions d’intérêt désirées. Bien que la calibration d'un tel système présente d'importants défis, la distorsion non-uniforme de certaines lentilles grand-angle offre un nouveau degré de liberté aux concepteurs de systèmes de vision qui permettra de mieux répondre aux spécifications d'applications particulières.

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A.-S. Poulin-Girard, S. Thibault et D. Laurendeau, "Passive stereoscopic panomorph system", Proceedings of SPIE Vol. 8650, 86500S (2013) 573 KB Download
A.-S. Poulin-Girard, X. Dallaire, A. Veillette, et al., "Study of camera calibration process with ray tracing", Proceedings of SPIE Vol. 9192, 91920B (2014) 809 KB Download
A.-S. Poulin-Girard, X. Dallaire, S. Thibault, and D. Laurendeau, "Virtual camera calibration using optical design software", Applied Optics, Vol. 53, Issue 13, pp. 2822-2827 (2014) 582 KB Download
Bonnette de test d’optique adaptative pour l’observatoire du Mont Mégantic
Étudiant: William Deschênes

Avec la prochaine génération de grands télescopes en construction, il y a un grand besoin de développer de nouvelles technologies. L’optique adaptative (OA) est essentielle pour obtenir la haute précision possible de ces télescopes, en compensant pour les effets de l’atmosphère. Plusieurs technologies d’OA sont en développement au Canada. Cependant, pour éprouver le niveau de maturité technologique, il est nécessaire de caractériser ces technologies sur le ciel avec un télescope préexistant. À cette fin, ce projet implique la création d’une bonnette d’optique adaptative à être installée sur l’observatoire du Mont Mégantic (OMM), qui sera utilisé pour l’évaluation de dispositifs pour l’OA. Le banc permet une comparaison directe entre la performance des nouveaux dispositifs et de dispositifs d’OA standard, tel les senseurs Shack-Hartmann et les miroirs déformables magnétiques. La bonette est présentement en cours d’assemblage. Les premières observations seront prises en mars 2015. Nous sommes en collaboration avec l’Institut national d’optique qui développe un senseur de front d’onde pyramidal pour l’OA que nous allons caractériser avec notre système.
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Membranes élastomère avec nanoparticules magnétiques pour le développement de nouveaux miroirs déformables
Étudiant: Renaud Lussier

Ce projet se déroule dans le cadre d’une maîtrise en chimie, plus spécifiquement dans le domaine des matériaux fonctionnels. Le projet de maitrise s’intéresse à la conception et la fabrication de matériaux déformables pour des applications en optique adaptative. Les matériaux visés sont composés d’une membrane élastomère contenant des nanoparticules d’oxyde de fer magnétiques réagissant à l’application d’un champ magnétique d’un système d’actuateurs. La méthode de spin coating est employée afin d’obtenir des membranes minces et lisses. Les applications en optique nécessitent des surfaces dont la rugosité est de très faible amplitude, soit de l’ordre du nanomètre. Le polydiméthylsiloxane (PDMS) composant la membrane est réticulé thermiquement lui conférant sa nature d’élastomère. Ces dispositifs se distingueront des miroirs liquides à base de ferrofluide par l’élimination de la composante liquide afin d’en faciliter la mise en œuvre. Nous nous intéressons à la réponse que présenteront les membranes minces sous l’influence d’un champ magnétique externe et considérons la possibilité d’orienter les nanoparticules avant la solidification du polymère. Diverses caractérisations seront faites sur les membranes pour étudier leur surface (profilométrie) ainsi que la distribution des nanoparticules à l’intérieur du polymère (microscopie à balayage électronique). L’ajout d’une mince couche d’aluminium réfléchissante à la surface de telles membranes permettrait d’obtenir un miroir déformable. Ainsi, si les déformations ont une amplitude suffisante et que la résolution latérale est adéquate, des miroirs déformables fonctionnels sans composante liquide seront obtenus.
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Focalisation extrême par des éléments optiques non-paraxiaux
Étudiant: Denis Panneton

Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques de focal- isation non-paraxiale. Des solutions électromagnétiques exactes et vectorielles sont développées, suiv- ant une généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes sans foyer unique. Utilisant une méthode combinée, basé sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle en développement permet une amélioration en trois volets des descriptions classiques des champs au foyer. En premier lieu, l’analyse vectorielle de la diffraction permet de s’affranchir de toute assomption paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/OPU permet d’éviter la description de systèmes à foyer étendu par des termes de phases aberrés, qui réduisent la robustesse du modèle et la justesse des solutions trouvées. Finalement, l’élégance analytique de la méthode permet une com- préhension physique plus instinctive des phénomènes d’interférence au foyer de systèmes complexes et encourage le développement de méthodes inverses, permettant de retracer les conditions nécessaires à l’obtention d’un profil d’intensité et de phase données, sans apriori sur le système focalisant. À terme, de tels outils permettraient une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies en microscopie à hyper-résolution, notamment, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique.
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Propagation et imagerie non-paraxiale

Focalisation extrême par des éléments optiques non-paraxiaux
Étudiant: Denis Panneton

Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques de focal- isation non-paraxiale. Des solutions électromagnétiques exactes et vectorielles sont développées, suiv- ant une généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes sans foyer unique. Utilisant une méthode combinée, basé sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle en développement permet une amélioration en trois volets des descriptions classiques des champs au foyer. En premier lieu, l’analyse vectorielle de la diffraction permet de s’affranchir de toute assomption paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/OPU permet d’éviter la description de systèmes à foyer étendu par des termes de phases aberrés, qui réduisent la robustesse du modèle et la justesse des solutions trouvées. Finalement, l’élégance analytique de la méthode permet une com- préhension physique plus instinctive des phénomènes d’interférence au foyer de systèmes complexes et encourage le développement de méthodes inverses, permettant de retracer les conditions nécessaires à l’obtention d’un profil d’intensité et de phase données, sans apriori sur le système focalisant. À terme, de tels outils permettraient une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies en microscopie à hyper-résolution, notamment, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique.
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Photonique non-imageante

Conception de canaux de détection incluant des photodiodes à avalanches pour un instrument de tomographie optique diffuse
Étudiant: Charles Pichette

  La tomographie optique diffuse (TOD) est une technique d’imagerie 3D non-invasive de tissu biologique qui utilise la détection de photons résolue en temps dans le proche infrarouge. Cette technique nous permet de reconstruire la distribution spatiale des coefficients d'absorption et de diffusion, en plus de nous permettre de localiser des agents fluorescents qui aurait été injectés dans l'animal, ce qui est un grand intérêt pour la pharmacologie et l’oncologie où l'on désire suivre la progression d'une pathologie ou encore repérer des cellules cancéreuses.

  Pour obtenir ces informations, il faut faire de la détection résolue en temps par l'utilisation d'un système de comptage de photons corrélés en temps. Les détecteurs typiquement utilisés dans ce genre d’opération sont des tubes photomultiplicateurs à cause de leurs bonnes sensibilités et leurs réponses ultra-rapides. Toutefois, ces détecteurs sont très dispendieux et doivent être manipulés avec grande précaution. Pour ces raisons, il peut être intéressant de les remplacer par des photodiodes à avalanche (APD) qui peuvent atteindre une même sensibilité pour une fraction du prix, en plus de ne pas être endommagés par la lumière ambiante. De plus, ces détecteurs sont beaucoup moins volumineux que les tubes photomultiplicateurs, ce qui nous permet d'augmenter le nombre de détecteurs et ainsi grandement réduire le temps d'acquisition. Malgré ces avantages, le plus grand défaut des APDs est que leurs zones de détection sont nettement plus petites que les PMT, ce qui rend la focalisation de la lumière sur le détecteur difficile.

  Le but de ce projet est donc de faire la conception optique et opto-mécanique de ces nouveaux canaux de détection qui devront accueillir les photodiodes à avalanches et ainsi permettre de grandement diminuer le temps d'acquisition des données tout en gardant un bon taux de comptage. L'intégration de ces canaux dans les laboratoires du professeur Yves Bérubé-Lauzière à l'Université de Sherbrooke marquera la fin du projet.
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Mesures tridimensionnelles de dose délivrée par des faisceaux de photons de haute énergie à l'aide d'une caméra plénoptique et d'un scintillateur plastique
Étudiante: Madison Rilling

En radiothérapie externe, les systèmes de dosimétrie jouent un rôle essentiel d’assurance qualité: ils servent à augmenter la précision du traitement tout en minimisant l’exposition des organes à risque à la radiation.

Mon projet consiste à développer un détecteur tridimensionnel (3D) de dose de radiation combinant un volume de scintillateur plastique et une caméra plénoptique. Suite à la récente preuve de concept de ce système novateur, il est nécessaire d’améliorer sa performance pour en faire un outil clinique d’assurance qualité. Plus particulièrement, les objectifs du projet sont la caractérisation et l’optimisation des résolutions temporelle et spatiale de ce détecteur.

Le détecteur présenté est le seul outil en physique médicale ayant le potentiel de mesurer des champs tridimensionnels de dose en temps réel. Comme cible, le système utilise un volume uniforme de scintillateur plastique ayant la propriété, lorsqu’irradié, d’émettre une lumière fluorescente qui est proportionnelle à la dose absorbée localement. Pendant l’irradiation du volume, des images du champ de scintillation sont acquises avec une caméra plénoptique. Grâce au système de microlentilles de cette caméra, ces images contiennent à la fois l’information spatiale et directionnelle de la lumière incidente. On peut ainsi mesurer l’intensité de la lumière émise, et donc la dose absorbée, dans tout le volume cible. En appliquant des algorithmes tomographiques aux images plénoptiques acquises pendant l’assurance qualité d’un traitement, il est possible de reconstruire la distribution de dose 3D mesurée, qui peut ensuite être comparée au patron de dose planifié.

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M. Goulet, M. Rilling, L. Gingras, S. Beddar, L. Beaulieu and L. Archambault, “Novel, full 3D scintillation dosimetry using a static plenoptic camera,” Med. Phys. 41, 082101 (2014). 1.92MB Download