Anciens membres



Guillaume Allain, MSc
Yasmine Alikacem, MSc
Aymen Arfaoui, PhD
Alexandre Baril, MSc
Caleb Bayard, MSc
Simon-Gabriel Beauvais, MSc
Gabriel Boivin
Sébastien Bouchard, PhD
Jeck Borne, MSc
Alexandre Cléroux Cuillerier, MSc
Olivier Côté, MSc
Xavier Dallaire, PhD
William Deschênes, MSc
Mathieu Gagnon, MSc
Rafael Guillermo González-Acuña, PhD
Jason Guénette, MSc
Erik Kretschmer, PhD
Jonathan Laberge, MSc
Gabriel Lachance, MSc
Jean-Philippe Langelier, MSc
Martin Larivière-Bastien, PhD
Raphaël Larouche, MSc
Jean-Philippe Leclerc, MSc
Hugo Lemieux, MSc
Renaud Lussier, MSc
Julie Mandar, MSc
Stephane Melanson, MSc
Simon Munger
Mireille Ouellet, MSc
Denis Panneton, PhD
Deven Patel, MSc
Jocelyn Parent, PhD
Charles Pichette, MSc
Anne-Sophie Poulin-Girard, PhD
Mireille Quémener, MSc
Madison Rilling, PhD
Frédéric Roy, MSc
Cédric Vallée
Maxime Vernier, MSc



Guillaume Allain, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Analyseur de front d'onde d'ordres inférieurs à modulation spatiale (2019)
L’imagerie directe pour la détection et l’identification d’exoplanètes apporte un lot de nouveaux défis en instrumentation astronomique. L’utilisation de coronographes à haut contraste nécessite que les aberrations du système optique ainsi que la turbulence atmosphérique soient très bien corrigées afin de supprimer la lumière de l’étoile de façon à pouvoir détecter clairement les objets moins brillants qui pourraient se trouver à proximité de celle-ci. Il devient donc nécessaire d’utiliser des analyseurs de front d’onde spécialisés dans la détection rapide des bas ordres (typiquement les fines erreurs de pointage et de foyer) afin d’atteindre des niveaux de contraste entre l’étoile et une planète de l’ordre de 10-7-10-9.

Dans des missions utilisant de petits télescopes, où le nombre de photons qui atteint les instruments est limitée, l’analyseur de front d’onde pyramidal devient intéressant à cause de son utilisation plus efficace de la lumière. Afin de pouvoir détecter des aberrations de grandes amplitudes, ce type d’analyseur inclut normalement une modulation temporelle du faisceau par l’utilisation d’un miroir piézo-électrique à haute fréquence. Cette modulation dynamique du faisceau comporte des risques qui ne peuvent pas être négligés pour des missions spatiales ou embarquées sur ballon stratosphérique. La solution proposée dans ce mémoire est l’utilisation d’une composante optique (axicon) qui émule de façon instantanée le comportement de ce type d’analyseur à modulation et en maintenant des performances suffisantes dans une utilisation comme analyseur de front d’ondes d’ordres inférieurs. L’intégration de ce système dans deux instruments astronomiques différents démontre la viabilité de cette méthode pour détecter et corriger en boucle fermée les aberrations provenant d’une étoile.




Yasmine Alikacem, MSc

Doric Lenses

Projet de maîtrise: Design, implémentation calibration et validation expérimentale d'un détecteur miniature pour la mesure de la concentration de nutriments dans la glace (2021)
En Arctique, une abondance de lumière et de nutriments est nécessaire pour permettre la prolifération des algues de glace. En raison des changements climatiques, l’épaisseur de la glace de mer réduit continuellement, ce qui engendre une prolifération précoce de ces dernières. Cependant, une prolifération précoce des algues de glace n’implique pas nécessairement une augmentation de la production primaire annuelle nette en Arctique. En effet, il a été démontré que l’équilibre complexe entre les nutriments, en particulier les nitrates dans l’océan Arctique, et la disponibilité de la lumière régit la production primaire annuelle nette. La quantité d’éléments nutritifs disponibles dépend du flux de nutriments allant de l’océan à la glace de mer et du transport dans celle-ci. Les deux processus sont difficiles à quantifier car ils se déroulent à des échelles spatiales et temporelles réduites. Les méthodes traditionnelles d’échantillonnage ne permettent guère de saisir de telles variations. Dans un contexte où les paysages et la biologie arctiques changent rapidement, il est particulièrement important de mieux comprendre comment le flux de nutriments est influencé par l’océan et la glace de mer. Par conséquent, ce projet de recherche vise à développer un capteur optique pour mesurer la concentration de nitrates dans la glace de mer de manière in situ et à petite échelle. Ce capteur sera intégré à une plateforme endoscopique, soit une sonde non destructive et multimodale qui permettra de caractériser le transfert radiatif et les systèmes biophysiques de la glace de mer.




Aymen Arfaoui, PhD

Revenu Québec

Projet de doctorat: Calibrage et modélisation d’un système de stéréovision hybride et panoramique (2015)
Dans cette thèse nos contributions à la résolution de deux problématiques rencontrées en vision numérique et en photogrammétrie, qui sont le calibrage de caméras et la stéréovision, sont présentées. Ces deux problèmes font l’objet de très nombreuses recherches depuis plusieurs années. Les techniques de calibrage existantes diffèrent beaucoup suivant le type de caméras à calibrer (classique ou panoramique, à focale fixe ou à focale variable,..). Notre première contribution est un banc de calibrage, à l’aide des éléments d’optique diffractive, qui permet de calibrer avec une bonne précision une très grande partie des caméras existantes. Un modèle simple et précis qui décrit la projection de la grille formée sur l’image et une méthode de calibrage pour chaque type de caméras est proposé. La technique est très robuste et les résultats pour l’ensemble des caméras calibrées sont optimaux. Avec la multiplication des types de caméras et la diversité des modèles de projections, un modèle de formation d'image générique semble très intéressant. Notre deuxième contribution est un modèle de projection unifié pour plusieurs caméras classiques et panoramiques. Dans ce modèle, toute caméra est modélisée par une projection rectiligne et des splines cubiques composées permettant de représenter toutes sortes de distorsions. Cette approche permet de modéliser géométriquement les systèmes de stéréovision mixtes ou panoramiques et de convertir une image panoramique en une image classique. Par conséquent, le problème de stéréovision mixte ou panoramique est transformé en un problème de stéréovision conventionnelle. Mots clés : calibrage, vision panoramique, distorsion, fisheye, zoom, panomorphe, géométrie épipolaire, reconstruction tridimensionnelle, stéréovision hybride, stéréovision panoramique.




Alexandre Baril, MSc

Ver-Mac

Projet de maîtrise: Prototype d'éclairage intelligent aux DELs avec un modulateur lumineuse (2017)
Avec la venue des lampes aux DELs sur le marché de l'éclairage, une forte tendance pour un éclairage plus efficace, efficient et dirigé est apparue. Le projet se positionne à l'avant garde de cette tendance en développant un prototype de démonstration pour faire l'évaluation de nouveaux algorithmes d'éclairage intelligent. Le coeur du prototype de démonstration est un modulateur lumineux aux cristaux liquides récemment développé pour ouvrir les faisceaux lumineux émis par les DELs. Ces modules sont contrôlés par des signaux électriques et possèdent une plage de fonctionnement très linéaire. Cette propriété permet d'envisager le développement d'applications d'éclairage intelligent en boucle fermée avec une caméra comme capteur. L'utilisation de la vision numérique est une avenue prometteuse pour le développement d'application intelligente. Le prototype de démonstration développé inclut une source de lumière DEL haute puissance, le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une caméra et toute l'électronique nécessaire pour implanter une fonctionnalité de boucle fermée par vision numérique.




Caleb Bayard, MSc

MDA

Projet de maîtrise: Caractérisation de systèmes découpeur d’image à surface libre pour l’instrument GIRMOS (2021)
GIRMOS (Gemini Infrared Multi-Object Spectrograph) est un spectrographe infrarouge multi-objets destiné aux télescopes jumeaux de 8,1 m de l’Observatoire Gemini. Le design optique de son module spectrographe est basé sur le concept de système découpeur d’image. Les systèmes découpeurs d’image sont habituellement composés de trois sous-ensembles distincts soit : de miroirs découpeurs, de miroirs (ou lentilles) pupille et miroirs (ou lentilles) fente. Leur fonction est de décomposer l’image du plan focal du télescope en bandes, puis d’aligner chacune de ces bandes bout à bout à l’entrée du spectrographe; tout en conservant l’image de la pupille du télescope.

Le système découpeur d’image étant un élément essentiel du bon fonctionnement du module spectrographe de GIRMOS, il est nécessaire que celui-ci réponde aux critères et exigences établis. Ce projet de recherche consiste donc à caractériser des systèmes découpeurs d’image à surface libre par la réalisation d’une série de tests. Le projet se divise en trois principales étapes. La première étape est de définir l’ensemble des éléments à caractériser et la méthodologie à employer. La seconde étape vise la mise en œuvre des tests en passant par la conception et le développement de banc de tests. La dernière étape est d’évaluer les performances et l’impact des systèmes découpeurs d’image sur le module spectrographe de GIRMOS.




Simon-Gabriel Beauvais, MSc

Immervision

Projet: Intelligence artificielle et optique adaptative prédictive
L’optique adaptative rend possible la correction des aberrations atmosphériques sur les images prises à partir de télescopes terrestres. Depuis son instauration, cette technique permit de faire de grandes avancés scientifiques, autant dans la recherche sur les exoplanètes que sur les planètes de notre système solaire. Par contre, opérer un télescope avec un système d’optique adaptative capable de corriger ses images en temps réel reste demandant non seulement en matériel, mais aussi en temps de calcul. Avec les développements récents en intelligence artificielle et en apprentissage machine, l’opportunité de diminuer le temps de calcul ainsi qu’améliorer la qualité des images qui en ressortent permettrait de rendre plus abordable et portable ce système dans les observatoires.

Ce projet consiste dans le développement d’un réseau de neurones capable de gérer un miroir déformable et d’orchestrer la correction des aberrations sur les images, ainsi que de prédire la correction nécessaire pour les images futures. Le tout sera accompli à partir d’images tirées d’un simulateur d’observations, d’un banc d’optique pouvant reproduire les aberrations atmosphériques, et des observations du télescope HiCIBaS, permettant de surcroît de résoudre les problèmes d’application des réseaux de neurones lors de contextes réalistes.




Gabriel Boivin

Projet de maîtrise: Caractérisation d’un réseau de diffraction avec angle de blaze utilisé en spectroscopie infrarouge
Les réseaux de diffraction sont un élément optique permettant une différentiation en angle en fonction de la longueur d’ondes des rayons venant frapper le réseau. Cet effet de séparation des longueurs d’ondes est essentiel pour la spectroscopie, en particulier en astronomie. Comme le réseau de diffraction est central à la conception des instruments de spectroscopique astronomique, il faut s’assurer qu’il répondra aux besoins et exigences des concepteurs. Malheureusement, l’évaluation des performances et la caractérisation des réseaux se révèlent être des tâches ardues. Il n’existe pas présentement de technique commune et chaque fabricant a sa propre façon de faire.Le but de mon projet de maîtrise est donc de développer et de mettre en place un banc de test qui permettrait de mesurer les performances et de caractériser les réseaux de diffraction. Ce banc de test permettra donc de comparer les performances de différents réseaux pour faciliter le choix du meilleur composant pour un instrument astronomique.




Sébastien Bouchard, PhD

Creaform

Projet de doctorat: Conception d'un nouveau type de concentrateur solaire réduisant le besoin de suivi du soleil (2016)
Depuis longtemps, le Soleil est vu comme une source renouvelable d’intérêt pour combler nos besoins en énergie. Or, le coût prohibitif de l’énergie solaire a jusqu’à maintenant rendu celle-ci peu utilisée. Pour accroître son adoption, il faut absolument rendre son coût concurrentiel avec celui des énergies fossiles. Pour cela, plusieurs possibilités existent. L’une d’elles est l’utilisation d’un système optique pour concentrer la lumière. Cette thèse présente donc une solution basée sur la conception d’un nouveau type de concentrateur solaire de basse-moyenne concentration fait de polymère dans le but de réduire son coût de fabrication. Les performances de ce système compact utilisant des microlentilles ont ensuite été améliorées par l’ajout d’un gradient d’indice de réfraction dans la matrice polymérique. Une analyse sommaire du coût de l’énergie produite par de tels dispositifs permet ensuite de conclure que les systèmes développés dans le cadre de ce projet de recherche ont un potentiel commercial. Pour cette raison, le concept le plus prometteur basé sur l’utilisation d’un gradient d’indice afin d’accroître les performances a fait état du dépôt d’une demande de brevet.

Projet de maîtrise: Étude de l'effet du courant et de la température sur la dégradation des diodes électroluminescentes blanches à haute intensité (2011)
Les diodes électroluminescentes ont le potentiel pour réduire considérablement la consommation électrique nécessaire pour l'éclairage. De plus, leur longue durée de vie laisse entrevoir des sources lumineuses ne nécessitant pas de remplacements fréquents. Par contre, plusieurs défis restent à régler si les diodes électroluminescentes veulent répondre aux promesses d'économie d'énergie et de longue durée de vie des fabricants. Il est donc nécessaire de réaliser des tests indépendants sur les diodes pour vérifier le bien-fondé de telles affirmations.

Pour cela, trois tests de vieillissement accélérés ont été réalisés sur deux modèles de diodes et comparés à un échantillon témoin alimenté selon les recommandations des fabricants. L'objectif de ces tests est de vérifier l'effet sur les diodes d'un entreposage à température élevée et du fonctionnement avec un courant élevé incluant ou non un contrôle de température. Cela permet d'isoler l'effet des différents paramètres d'utilisation tout en étudiant si ceux-ci accélèrent la dégradation des propriétés des diodes électroluminescentes. Il appert que le mode de dégradation des diodes est différent pour chaque modèle, ce qui rend la mise en place d'un modèle global est difficilement envisageable.




Jeck Borne, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Premiers pas d'une validation de l'extension du formalisme de Richards-Wolf et poursuite de sa généralisation (2019)
Ce projet de maîtrise s’insère dans l’effort de modélisation entourant le phénomène de focalisation extrême amorcé dans les groupes de recherche des professeurs Thibault et Piché. Le mémoire présente d’abord une comparaison entre le formalisme de Richards-Wolf étendu (ERWT) et les solutions numériques de propagation d’onde électromagnétique obtenues à l’aide d’un algorithme FDTD. Les résultats montrent que l’utilisation du formalisme étendu permet de traiter le processus de focalisation non paraxiale pour une gamme étendue de surfaces réfléchissantes avec peu de variations entre les deux techniques. Les limitations intrinsèques à l’algorithme utilisé et la divergence de la fonction d’illumination imparfaitement traitée pourraient expliquer les déviations observées. Ensuite, cherchant à améliorer le traitement de cette illumination, le processus de focalisation inverse a été développé. En effet, il est possible de formuler une inversion du formalisme de Richards-Wolf (RWT) pour des systèmes à symétrie de révolution en définissant l’illumination à polarisation radiale en fonction d’une distribution recherchée au foyer selon un seul axe (radial ou sur l’axe optique). En utilisant un seul axe, le problème de surdéfinir le champ ne se pose pas et un critère est fourni afin de conclure de la validité physique du patron d’illumination calculé. Avec la méthode proposée, il est souvent possible d’obtenir des solutions analytiques qui sont essentielles à l’obtention d’une meilleure compréhension des différences entre les modèles paraxiaux et non paraxiaux. De plus, il est facile d’adapter cette dernière afin d’obtenir des solutions numériques pour des problèmes plus complexes. Ainsi, les figures d’illumination calculées peuvent directement être utilisées et sont particulièrement utiles lorsque la dimension optimale de la tâche focale pour une application donnée est connue. Un article a été soumis basé sur ces travaux. Enfin, une généralisation culminant avec le traitement de surfaces asphériques avec aberrations est présentée en adaptant le formalisme étendu (ERWT). Cet ajout au formalisme permet d’envisager de modéliser des surfaces complexes et possiblement hors de portée des corrections seulement en phase usuellement utilisées dans la littérature. Cependant, ces ajouts au formalisme complexifient de manière appréciable les intégrales de diffraction de Richards-Wolf. Finalement, une démonstration de la procédure a été effectuée pour un miroir parabolique comportant un léger tilt.




Alexandre Cléroux Cuillerier, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Intégration des métasurfaces en conception optique (2022)
Une compréhension intuitive des propriétés intrinsèques des matériaux traditionnels a permis le développement d’une multitude d'instruments optiques limités par les lois classiques de l’optique. L’arrivée au début du millénaire des métamatériaux et de leurs homologues bidimensionnels, les métasurfaces, propose une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques en utilisant des propriétés exotiques qu’on ne retrouve pas chez les matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Mon projet vise à explorer, par une approche expérimentale, la conception de métasurfaces optimisées dans un contexte d'intégration à des systèmes optiques complexes. Une intégration efficace des métasurfaces à des systèmes optiques existants offre un grand nombre d’applications technologiques, scientifiques et médicales. Par exemple, cette intégration permettrait, entre autres, d’atteindre des performances supérieures en imagerie à l'aide de métalentilles limitant grandement les aberrations. De plus, la réduction de systèmes complexes à quelques composantes à base de métasurfaces a énormément de potentiel en industrie pour le développement de technologies prometteuses.




Olivier Côté, MSc

Exfo

Projet de maîtrise: HiCIBaS: Conception du système de pointage et de guidage d’un télescope monté sur ballon stratosphérique (2019)
Ce projet de maîtrise s’inscrit dans le cadre du projet High Contrast Imaging Balloon System (HiCIBaS). Le but du projet HiCIBaS est de lancer à 40km d’altitude un télescope avec un système d’optique adaptative complet pour réaliser de l’imagerie haut contraste d’étoiles. Mon rôle dans ce projet consiste à concevoir le système qui oriente le télescope vers l’étoile cible et qui stabilise la mire du télescope à environ une seconde d’arc. Plus spécifiquement, il faut concevoir un système qui peut reconnaître l’orientation du télescope simplement en prenant une image du ciel (star tracker). Il faut aussi que le système puisse détecter les mouvements en tangage, roulis et lacet de la nacelle pour atténuer ces perturbations sur l’image finale du télescope. Finalement, il faut créer le programme qui transmet les commandes numériques aux moteurs.




Xavier Dallaire, PhD

Projet de doctorat: Miniaturisation de lentilles grand angle (2018)
La miniaturisation des systèmes optiques, notamment des systèmes grand angle, est un sujet d’actualité qui revêt une grande importance. La réduction en taille des composantes optiques permet l’intégration de caméras dans une plus vaste gamme d’applications. Une amélioration constante des techniques de production ont permis jusqu’à présent de grandes avancées dans le domaine de la miniaturisation, mais aujourd’hui d’autres techniques doivent être développées dans le but de miniaturiser d’avantage. Le but de ce projet de doctorat est d’adapter et de développer des techniques de miniaturisation applicables à des systèmes optiques grand angle. À travers l’étude des diverses techniques de miniaturisation, la lentille repliée joint à l’imagerie à fovéa et la correction d’aberration via l’imagerie plénoptique ont été retenus comme candidats permettant la miniaturisation de caméra grand angle. Le Chapitre 3 dresse un portrait global des différentes avenues empruntées dans la littérature permettant la miniaturisation de système optique. Une courte description des techniques est présentée ainsi que les raisons pour lesquelles certaines furent écartées. Un design original d’endoscope miniature grand angle est présenté au Chapitre 4, de même que l’ensemble du processus de conception et de tolérancement. L’utilisation d’un repli dans le système permet de réduire la taille effective du système. L’utilisation de l’imagerie à fovéa est utilisée afin de contrôler le grandissement dans les régions d’intérêts. Deux versions de l’endoscope présentant des variations différentes de leur lfl sont analysées. Il est montré qu’un contrôle actif de la distorsion au moment du design peut permettre de maintenir les performances d’un système optique dans certaines régions clés du champ de vue tout en réduisant le nombre d’éléments qui le compose. Un algorithme de reprojection économe permettant de reconstruire une image plénoptique aberrée est présenté au Chapitre 5. Il est montré, à travers des simulations, qu’il est possible de corriger des aberrations présentes dans un système optique. Les cas monochromatiques, polychromatiques et grand angle furent abordés et corrigés avec succès. Il a aussi été démontré que l’algorithme de correction n’amplifiait pas le bruit présent dans les images d’origines. Finalement, un prototype simple de caméra plénoptique a été conçu et testé en laboratoire.

Projet de maîtrise: Analyse et tolérancement de systèmes ayant une lentille frontale à forme libre (2013)
Suite au développement récent des méthodes de production, les lentilles à forme libre sont de plus en plus utilisées dans les designs optiques. Néanmoins, leurs définitions mathématiques et leurs formes particulières rendent leur tolérancement et leurs réactions aux perturbations d’alignement difficilement prévisibles. Par conséquent, les outils à la portée des concepteurs optiques, tels que les logiciels de conception optique, ne sont pas toujours en mesure de fournir l’aide nécessaire. Dans ce mémoire, nous présentons d’abord les concepts théoriques et les récents développements relatifs à ces notions. Par la suite, l’analyse d’une lentille panomorphe dont la première surface est une lentille à forme libre nous révèle nombres de comportements particuliers mettant en évidence des relations entre l’empreinte du faisceau et la courbure de champ. Finalement, une nouvelle technique de tolérancement est présentée. Via une analyse en perturbative nécessitant peu de temps de calcul, il est possible de réduire les marges d’erreur allouées sur certaines variables, tout en maximisant l’effet sur la qualité d’image. Cette technique s’est avérée particulièrement efficace dans le cas où l’ajustement de la mise au point (mise au foyer) est limité spatialement.




William Deschênes, MSc

Fiso

Projet de maîtrise: Bonnette de test d’optique adaptative pour l'Observatoire du Mont-Mégantic (2016)
Les télescopes de grande envergure requièrent des nouvelles technologies ayant un haut niveau de maturité technologique. Le projet implique la création d’un banc de test d’optique adaptative pour l’évaluation de la performance sur le ciel de dispositifs connexes. Le banc a été intégré avec succès à l’observatoire du Mont Mégantic, et a été utilisé pour évaluer la performance d’un senseur pyramidal de front d’onde. Le système a permis la réduction effective de la fonction d’étalement du point d’un facteur deux. Plusieurs améliorations sont possibles pour augmenter la performance du système.




Mathieu Gagnon, MSc

Teraxion

Projet de maîtrise: Système de vision 3D grand angle basé sur la Kinect v2 pour la navigation en milieu extérieur (2019)
En collaboration avec l’Institut du Véhicule Innovant (IVI), on vise l’élaboration et le développement de véhicule hors route dans le but d’effectuer des tâches de manière autonome. Plus précisément, le projet visé lors de la maitrise est de concevoir un système de vision 3D grand angle sur mesure pouvant faciliter la navigation dans des conditions difficiles pour plusieurs capteurs (poussière, vibrations, éblouissement, etc.). Notre solution à cet enjeu sera d’adapter et d’optimiser certains systèmes moins couteux, par exemple la Kinect 2 de Microsoft qui malheureusement ne fonctionne pas à priori dans les conditions sujettes à notre application. Un dispositif constitué d’un système de lentilles panomorphes pourrait permettre d’élargir le champ de vision pour obtenir près de 180 degrés, et ce, tout en conservant une résolution suffisante pour les besoins de l’équipe de perception de l’environnement et en étant robuste à l’environnement. De cette manière, un système pourrait permettre une détection 3D de l’environnement avec une résolution suffisante dans les zones d’intérêt.

Le projet se divise en quatre grandes étapes. La première est l’analyse de la Kinect 2 tant sur ses aspects techniques que son fonctionnement. Il est également important de quantifier les limitations de la Kinect, par exemple sur l’éclairage. La seconde étape sera de concevoir un système optique permettant d’adapter la Kinect à un plus grand angle de vision ; ce système devra évidemment être testé pour bien connaitre ses paramètres. La troisième étape sera la conception du dispositif permettant au système de s’implémenter directement sur la Kinect. La quatrième étape sera de tester le système en condition d’utilisation réelle ainsi qu’à des conditions d’éclairage extérieur.




Rafael Guillermo González-Acuña, PhD

Huawei Finland Camera Lab

Stage postdoctoral (2021-2022)
Rafael G. González-Acuña est titulaire d’un baccalauréat en physique, d’un baccalauréat en mathématiques et d’une maîtrise en opto-mécatronique. Il a obtenu son doctorat à Tecnológico de Monterrey (Mexique). Au cours de sa thèse de doctorat, il a travaillé sur l'équation générale des lentilles stigmatiques et a étudié ses propriétés. Il est actuellement l'auteur d'un total de 19 articles de revue en tant qu'auteur premier et correspondant, ce qui lui a permis de recevoir deux distinctions de sélection de l'Éditeur. Il a obtenu 17 prix et bourses, dont la 2019 Optical Design and Engineering Scholarship (SPIE), le prix scientifique Romulo Garza 2019 pour la meilleure recherche de troisième cycle à Tecnológico de Monterrey et une invitation à la 70e réunion des lauréats du prix Nobel de Lindau. Il est co-auteur du livre Analytical lens design and Stigmatic optics (Institute of Physics Publishing Ltd). Il a également rejoint plusieurs institutions pour des stages de recherche, dont l'Institut für Technische Optik (Allemagne), Yachaytech (Équateur) et l'Université de technologie d'Auckland (Nouvelle-Zélande).




Jason Guénette, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Conception d'une lentille axicon à gradient d'indice de réfraction GLA (GRIN Lens Axicon)(2019)
Les axicons sont principalement connus pour leur propriété à produire des faisceaux Bessel. Cependant, certains ont également la propriété de produire une focalisation en anneau soit directement ou avec l’ajout d’une lentille. Nous avons analysé la possibilité de faire un axicon avec un profil d’indice de réfraction qui produirait un anneau. Plus précisément, nous avons analysé la possibilité de faire une composante qui incorpore la fonction linéaire d’une lentille conique et la fonction parabolique d'une lentille. Le profil d’indice de réfraction analysé a une variation radiale et permet de produire une focalisation annulaire périodique. Un profil similaire a déjà été étudié sommairement par E. Marchand puis par Rosa M. Gonzalez. Cependant, les solutions proposées par eux sont des solutions approximatives et leur analyse est limitée. Il existe déjà des fibres optiques avec des indices de réfraction semblable à ce que l’on cherche, donc ces axicons ont le potentiel d’être utilisés directement pour une fibre optique. Nous avons déterminé la solution exacte du profil d’indice de réfraction qui permet la focalisation en anneau et nous avons démontré théoriquement que l’anneau produit est de bonne qualité. Nous avons étudié la possibilité de produire un faisceau Bessel à partir de cette composante optique que nous nommons GLA (Grin Lens Axicon) et les simulations montrent que le Faisceau Bessel peut être de très bonne qualité. Des tests expérimentaux ont été faits pour montrer qu’il est possible de produire un faisceau Bessel avec le GLA.




Erik Kretschmer, PhD

Karlsruher Institut für Technologie

Projet de doctorat: Modélisation de la réponse spectrale de spectromètres à transformée de Fourier conventionnels et imageants (2014)

La spectroscopie par la mesure du spectre optique est un outil dont on ne peut aujourd’hui plus se passer dans la grande majorité des laboratoires de chimie analytique et pour les applications de télédétection. À cet effet, l’usage de spectromètres par transformation de Fourier, les FTS (Fourier Transform Spectrometer), est très répandu. Parmi ces spectromètres, on trouve de plus en plus des instruments imageurs: les iFTS. À la différence des FTS classiques qui ne mesurent qu’un seul point, les iFTS mesurent un grand nombre de points d’une scène simultanément, ce qui ouvre la porte à des analyses spectrales sur des images. Les mesures spectrales effectuées par des FTS présentent certaines erreurs systématiques qui sont en grande partie décrites par la fonction de réponse spectrale de l’instrument, ou la SRF (Spectral Response Function). Dans le cas des instruments imageurs, chaque pixel possède sa propre réponse spectrale individuelle. Cela ouvre une toute nouvelle dimension dans l’analyse et la prédiction des erreurs systématiques de l’instrument. Grâce à la combinaison de la capacité d’imagerie et de télédétection des FTS imageurs, ce type d’instrument est souvent choisi pour des applications aérospatiales de sciences atmosphériques, tant pour l’étude de l’atmosphère terrestre que d’autre corps célestes. Ces applications sont toutefois très exigeantes et présentent des requis très stricts en matière de précision spectrale des instruments de mesure. Répondre à ces exigences sans une connaissance excellente de la réponse spectrale est impensable. La modélisation de la réponse des spectromètres permet d’obtenir une bonne connaissance des performances de ces instruments. Cette thèse propose d’abord une revue des effets affectant la réponse spectrale des FTS imageurs, pour ensuite présenter une nouveau modèle numérique de cette famille d’instruments. Ce modèle global de performance spectrale inclut des effets optiques généralement ignorés, simplifiés ou modélisés individuellement. La nécessité de modéliser ces effets, tels que ceux qui sont causés par la fonction de transfert optique de l’objectif du détecteur ou par l’architecture de la matrice de détecteur en plan focal (FPA), est démontrée par des usages exemplaires du modèle. Enfin, l’application du modèle comme support à l’analyse de performance du spectromètre imageur GLORIA est présentée.




Jonathan Laberge, MSc

Cégep de Rimouski

Projet de maîtrise: Analyse des aberrations optiques du télescope de l'Observatoire du Mont-Mégantic (2012)
Le télescope de l'Observatoire du Mont-Mégantic est utilisé depuis la fin des années 70. La grande variété d'instruments qui y est disponible en fait un télescope très polyvalent. Cependant, très peu de données existent par rapport à ses aberrations optiques. Il est important de connaître ces aberrations si on désire améliorer la performance optique du télescope.

Pour évaluer ces aberrations, deux méthodes de reconstruction de front d'onde ont été utilisées : le senseur de front d'onde de type Shack-Hartmann et le senseur de courbure. L'analyse des fronts d'ondes reconstruits permet d'identifier les aberrations dominantes ainsi que plusieurs paramètres influençant ces aberrations. De plus, les méthodes sont comparées afin de vérifier si elles peuvent permettre un alignement des miroirs primaire et secondaire.




Gabriel Lachance, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Système de détection de radiation solaire sous-marine dans les lacs nordiques canadiens (2020)
Le projet de recherche consiste au développement et déploiement d'un système de détection de la lumière sous-marine disponible dans les lacs d'eau douce de l’arctique canadien en lien avec le COPL, le CEN et Sentinelle Nord. Nous savons qu'une approche par senseur à fibre optique est idéale dans cette application car elle ne requière par d'utilisateur sur place pour faire fonctionner le système. L'approche par fibre optique permet de mesurer la luminosité à différentes profondeurs dans l'eau simultanément. En utilisant les fibres optiques et un système de mesure passive, il est possible de créer un outil de mesure autonome à longue durée de vie pouvant être déployé et laissé sur place pendant de longues périodes de temps. Pour ce faire, il ne doit pas y avoir de pièces mobiles dans l'instrument et le système devra être testé rigoureusement pour son bon fonctionnement à long terme dans des conditions extrêmes. Par la suite, des tests en laboratoire seront requis pour tester les différentes parties du projet et pour l'assemblage du système. Pour la suite, il restera à tester différents types de détecteurs couplés aux fibres pour optimiser les prises de mesures. Il sera aussi requis de faire le montage optomécanique et électronique du système pour obtenir un prototype alpha que nous pourrons soumettre à des conditions extrêmes comme celles in situ. Finalement, l'assemblage et le déploiement de l’instrument sera fait pour tester son bon fonctionnement et pour amasser des données concernant la quantité de lumière disponible dans les lacs nordiques canadiens. En déployant l'instrument, il sera possible de prendre des données préliminaires pendant les tests in situ, ce qui permettra à l'équipe de recherche en biologie associée à ce projet de tirer des conclusions quant à la quantité de lumière disponible et les changements au microbiôme sous-marin que cause cet apport en énergie solaire.




Jean-Philippe Langelier, MSc

Projet de maîtrise: Mesure polarimétrique des propriétés physiques de la neige (2022)

L'étude et la mesure des propriétés de la neige occupent les scientifiques depuis presque un siècle, et ce, pour de nombreuses raisons. Entre autres, pour en savoir davantage sur le fonctionnement des avalanches, pour comprendre l'hydrologie de certaines régions [3], pour étudier les changements climatiques ou encore pour étudier les populations de lemmings. Le vent et des gradients de température présents dans le manteau neigeux influencent la structure et les propriétés physiques macroscopiques de la neige tout au long de l'hiver. Actuellement, aucun appareil n'est capable de monitorer l'ensemble de ces changements. Cependant, quelques appareils optiques ont été conçus pour caractériser certains paramètres influençant le transfert radiatif : la surface spécifique SSA, le paramètres d'amplification de l'absorption B et le paramètre d'asymétrie g. Ceux-ci sont limités à faire des mesures d'intensité pouvant déterminer un seul paramètre par géométrie. Les autres paramètres sont ensuite estimés, pouvant induire des erreurs de 10% à 15% sur les données obtenues. Rendre ces appareils sensibles à la polarisation leurs permettraient de faire directement des mesures en intensité et en polarisation évitant ainsi de devoir recourir à des estimations. Pour cela, la polarisation doit varier différemment de l'intensité aux propriétés d'un manteau neigeux et ne pas dépendre de d'autres propriétés inconnues. De nombreux travaux de recherche ont tenté de trouver un lien entre la polarisation et les propriétés de la neige, mais aucun n'a réussi à déterminer d'équation analytique. Ce travail de recherche permet d'investiguer si l'introduction de la polarisation dans un appareil optique pourrait permettre d'introduire un nouveau type de mesure aidant ainsi à la caractérisation des quatre paramètres ciblés. Pour cela, l'effet de chacun des paramètres SSA, ρ, g et B sur la polarisation est étudié. D'abord, l'effet de la forme des cristaux via la variation des paramètres B et g est étudié en concevant des tracés de rayons pour une particule unique. Il est déterminé que ces paramètres varient beaucoup avec la polarisation et que le transfert radiatif, pour une particule donnée, de la polarisation dépend de la forme polarisée de B et g. Ainsi, en généralisant pour un milieu poreux, le transfert radiatif des rayons polarisés dépendrait des formes polarisées de B et g. Par conséquent, la polarisation ne peut être utilisée lorsque la forme des cristaux de neige peut varier, à moins qu'un lien entre les formes non-polarisées et les formes polarisées de B et g existe. Ensuite, les paramètres ρ et SSA sont étudiés dans un milieu neigeux en concevant des tracés de rayons Monte-Carlo et dans un milieu diphasique. Les deux types de tracés de rayons convergent très bien lorsque le paramètre de taille x inférieur à 5000 et que la porosité φ inférieur à 0.5. L'intensité (I) et le degré de polarisation (DOP) sont étudiés sous plusieurs géométries en transmission et en réflexion. Pour des cristaux peu absorbants (µₐ ≪ µʹₛ), il est vu que le DOP varie en fonction de la SSA et ρ dans le domaine asymptotique de diffusion comme DOP(z) proportiel à e [exposant SSA*ρ*z], où z est la distance entre la source et le détecteur. Cette relation semble s'avérer indépendante des géométries testées. L'effet de l'absorption est aussi étudié, mais aucune équation n'a permis de caractériser son effet. Cependant, il a été démontré que, pour un milieu peu absorbant (µₐ ≪ µʹₛ), le DOP est indépendant de µₐ et, par conséquent, de la variation de B à la polarisation. Des tests en laboratoire sur des volumes de billes de vitre sont faits pour confirmer la relation DOP(z) proportionnel à e[exposant SSA*ρ*z]. Il est démontré que pour les trois plus petites tailles de billes, l'effet de l'absorption est négligeable sur le DOP (µₐ ≪ µʹₛ). En utilisant les résultats de laboratoire, il est démontré qu'une mesure de polarisation et d'intensité permet de déterminer ρ et SSA d'un milieu poreux. Cette méthode est seulement valide dans l'approximation de l'optique géométrique (x beaucoup inférieur à 100), pour un milieu peu absorbant et pour une forme de particules connue.




Martin Larivière-Bastien, PhD

Telops

Projet de doctorat: Amélioration des performances des systèmes d’imagerie panoramiques et Panomorphes (2014)

En raison de leur grand champ de vue, les systèmes d’imagerie panoramiques et Panomorphes sont des cas particuliers du point de vue de la conception optique. Le champ de vue élevé introduit une quantité importante d’aberrations qui doivent être corrigées. Pour obtenir la qualité d’image voulue, les aberrations sont minimisées par l’optimisation de certaines composantes physiques. Cette approche a cependant ses limites. Ce projet a donc pour but d’explorer d’autres techniques qui permettront de dépasser ces limites. Trois types de techniques sont étudiés : les techniques matérielles, logicielles et hybrides. Dans la section des techniques matérielles, le senseur courbé et les lentilles de champ de forme libre sont étudiés. Il est démontré qu’avec ces techniques, il est possible de créer l’effet de meilleur foyer sur toute l’image. De plus, le senseur courbé permet la conception de systèmes monocentriques qui permettent une conception plus simple et des performances accrues. La section des techniques logicielles montre les gains qu’il est possible d’obtenir par le traitement d’image. Malgré la variation importante de la PSF, la déconvolution réussit à améliorer la qualité de l’image en général. La correction de la couleur latérale amène une amélioration complémentaire à la déconvolution. Les deux méthodes sont suffisamment rapides pour envisager une application vidéo. La dernière section présente une technique appelée encodage de front d’onde. Deux méthodes d’optimisation sont présentées, l’optimisation par la MTF et par la variance entre l’image et l’objet. L’optimisation par la variance nécessite plus de temps de calcul, mais considère l’étape de la reconstruction et le bruit, et donne donc de meilleurs résultats. Des simulations sont aussi effectuées pour comparer l’efficacité et le domaine d’application de deux types de masques. Il est montré que le masque cubique est plus efficace pour corriger le défocus et l’astigmatisme et que le masque quartique est plus efficace en présence de coma et de bruit blanc gaussien. En utilisant les informations acquises lors des simulations, un prototype basé sur la lentille IMV1 d’ImmerVision a été fabriqué. Le masque cubique fabriqué présente cependant une rugosité de surface trop importante et les images obtenues sont affectées par le bruit.




Raphaël Larouche, MSc

Immervision

Projet de maîtrise: Design, implémentation calibration et validation expérimentale d'un détecteur miniature pour la mesure de la distribution de la radiance dans la glace (2021)

Ce projet de recherche vise la conception d’un instrument optique miniaturisé pour mesurer les distributions angulaires de radiance dans la glace de mer. En Arctique, la glace de mer s’amincit et son étendue décroît rapidement, ce qui a des conséquences sur le climat et les processus biologiques. La radiance est une quantité radiométrique fondamentale liée, par l’équation de transfert radiatif, aux propriétés optiques inhérentes. Ces dernières dépendent seulement des propriétés physiques du milieu. Quelques chercheurs ont mesuré des distributions angulaires de radiance dans la glace de mer, mais leurs résultats étaient limités par des instruments volumineux perturbant le milieu, créant de l’ombrage et limités en résolution angulaire et verticale. Faute de mesures, les influences des propriétés physiques sur la propagation du rayonnement solaire dans la glace de mer sont peu comprises. De meilleurs liens structuro-optiques permettraient de mieux comprendre les bilans de masse/d’énergie de la banquise et la production primaire des algues sous celle-ci dans le contexte des changements climatiques.

Pour ce faire, l’approche consiste à intégrer des lentilles fish-eyes miniatures à l’instrument. Ce type de lentille permet de collecter la radiance dans toutes les directions simultanément. Pour observer différentes signatures spectrales du milieu, un système de filtration optique devra être intégré. La première phase du projet vise à établir les spécifications et le design. Ensuite, l’assemblage d’un prototype, sa caractérisation ainsi que sa calibration en radiance et en angle seront faits. Enfin, son déploiement sur le terrain permettra la prise de mesures préliminaires et la validation son fonctionnement.




Jean-Philippe Leclerc, MSc

Nutriart

Projet de maîtrise: Caractérisation en temps réel des particules de sucre dans un écoulement de chocolat (2020)

L'industrie du chocolat est de plus en plus compétitive. Les acteurs industriels de ce domaine se doivent de fabriquer un produit de très grande qualité au plus faible coût possible. Les consommateurs s'attendent à un produit d'une grande finesse et d'une onctuosité comparable au chocolat considéré très haut de gamme il y a seulement quelques années. Pour ce faire, les fabricants doivent avoir en leur possession les outils pour mesurer et contrôler avec une grande précision leur procédé. L'une des caractéristiques principales du chocolat est la taille des particules de sucre : plus les particules de sucre sont petites, plus le chocolat sera fin et onctueux. Par contre, la production de chocolat fin est coûteuse en temps et en matière première. Le but de ce projet est de développer une méthode de mesure capable, sans calibration, de caractériser la taille des particules de sucre pendant la production afin de pouvoir la corriger en temps réel. Le concept développé est plus rapide, plus fiable et plus facile en mettre en place que les appareils actuellement disponibles sur le marché. Une fois intégré dans un raffineur à 5 rouleaux, il permet de contrôler à 3 microns près la taille des particules de sucre. L'utilisation de cette méthode permet de réduire le temps machine et homme, de limiter l'utilisation de coûteux ingrédients et d'assurer un chocolat d'une grande qualité jour après jour.




Hugo Lemieux, MSc

Eddyfi

Projet de maîtrise: Étude et comparaison de stratégies d’alimentation électrique pour lampadaire à DEL (2011)

Dans un contexte ou l'efficacité lumineuse est une priorité, les lampadaires à diodes électroluminescentes (DEL) sont une source de lumière de premier choix. Bien que plus coûteuses que les autres sources, elles offrent, en plus d'une grande efficacité, une longue durée de vie, ce qui en fait une option très intéressante à long terme. Comme toutes les autres sources de lumière, elles subissent par contre une dégradation lumineuse, qui diminue leur flux lumineux ainsi que leur efficacité. Afin de mieux contrôler cette dégradation lumineuse, des stratégies d'alimentation électrique peuvent être utilisées. Deux de ces stratégies sont le contrôle de courant et le contrôle de chaine, la première faisant varier le courant et la deuxième le nombre de DEL allumées. Pour étudier et comparer ces deux stratégies, un modèle mathématique a été développé et un programme de simulation a été conçu. Les résultats ont permis de constater qu'en plus de garder un flux lumineux plus constant, les stratégies d'alimentation électrique peuvent augmenter l'efficacité lumineuse et la durée de vie d'un lampadaire à DEL ou diminuer le nombre de DEL nécessaire, diminuant ainsi le coût initial.




Renaud Lussier, MSc

Projet de doctorat: Nouveaux miroirs déformables à base de nanocomposites polymère/nanoparticles magnétiques

Les miroirs déformables sont la pièce maîtresse d’un système d’optique adaptative. Leur taille, la nature des matériaux employés et du système d’actuation ainsi que leur déformabilité sont guidées par l’application visée. Aucun miroir n’est universel en ce sens qu’il peut convenir à tous les systèmes optiques et de nouveaux miroirs déformables versatiles et à faibles coût pourraient permettre de démocratiser l’optique adaptative. La recherche de nouveaux types de miroirs déformables est donc toujours pertinente. Le projet de doctorat poursuit donc cette motivation de développement de nouveaux miroirs déformables pour l’optique adaptative. La technologie d’intérêt est basée sur des matériaux composites polymère/nanoparticules magnétiques. Les polymères, plus particulièrement les élastomères, possèdent une très grande déformabilité, sont généralement faciles à mettre en œuvre et ont des propriétés mécaniques modulables. Des nanoparticules magnétiques peuvent y être incorporées afin de produire des déformations du polymère à l’aide de champs magnétiques locaux.

La technologie proposée se démarque des miroirs déformables courants par le faible coût de ses matériaux ainsi que par sa relative simplicité d’assemblage. Également, la surface déformable est complètement indépendante de son réseau d’actuateur puisqu’il n’y a aucun contact physique entre eux et que le matériau est uniforme. Cela procurera une grande versatilité à ce type de de miroir déformable. Au cours du projet, les protocoles d’assemblage sont développés et les propriétés/performances du dispositif sont optimisées afin de produire des miroirs déformables magnétiquement opérationnels.




Julie Mandar, MSc

ABB

Projet de maîtrise: Développement du modèle de performances de SITELLE, spectromètre imageur à transformée de Fourier (2012)

SITELLE est le nouveau spectromètre imageur à transformée de Fourier qui doit être installé au Télescope Canada-France-Hawaii. Le développement de son modèle de performance a permis d’évaluer les paramètres instrumentaux qui sont critiques par rapport aux exigences scientifiques. D’une part, une configuration hors-axe à miroirs plans a été sélectionnée pour répondre plus facilement à l’exigence de haute efficacité dans le proche ultraviolet. D’autre part, les critères d’asservissement ont été définis afin de concevoir un instrument limité par le bruit de photons pour une scène pertinente donnée. Ces performances doivent être maintenues pendant une acquisition totale de 4h sous des vibrations opérationnelles et toute vibration extérieure comme des bourrasques de vent sur le télescope. Enfin, le modèle de performance de SITELLE est au cœur du simulateur de rapport signal sur bruit qui permettra aux astrophysiciens d’évaluer les bénéfices potentiels de l’utilisation de ce spectromètre imageur pour leurs sujets d’études.




Stephane Melanson, MSc

D-Pace

Projet de maîtrise: Contrôle de la couleur de DELs quadri-chromatiques avec un détecteur de couleur (2014)

Dans ce mémoire, il est question de la conception d'une monture stabilisatrice pour un télescope monté sur un ballon stratosphérique. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du projet HiCIBaS qui vise à faire de l'imagerie haut contraste pour l'observation d'exoplanètes. Essentiellement, ce projet vise à produire une monture qui peut aligner un télescope commercial de 14 po avec une étoile cible avec une précision de plus ou moins 5 secondes d'arc crête à crête. Cette tolérance correspond au champ de vue du système optique rattaché à ce télescope. Le design choisi est celui d'une monture altitude-azimut avec un miroir de repliement Nasmyth. Le miroir de repliement permet de rediriger la lumière vers le système optique sans avoir à l'accrocher directement à la sortie du télescope. Les résultats de stabilisation en laboratoire n'ont pas donné les résultats escomptés étant donné la présence d'un jeu dans les moteurs adaptés à travailler dans des conditions de froid intense. Néanmoins, le contrôleur conçu dans le cadre de ce projet a permis de réduire l'intensité d'une perturbation à 0.7 Hz d'un facteur 5 environ. La fréquence de 0.7 Hz représente la fréquence de dandinement de la nacelle CARMEN dans laquelle le système était installé. Dans ce mémoire, quelques recommandations sont proposées pour améliorer le concept du système de pointage. La première est de ne pas adapter les moteurs pour résister au froid, mais plutôt de les chauffer pendant la nuit d'observation. Le contrôle des moteurs devrait aussi être fait en vitesse plutôt qu'en position. Une dernière recommandation serait d'ajouter un gyromètre en boucle ouverte afin de pouvoir atténuer une partie de la perturbation sans l'aide du contrôleur.




Simon Munger

Teraxion

Projet de maîtrise: Nanoscopie sub-cellulaire réalisable par absorption de rayonnement X attoseconde cohérent focalisé

Mon projet consiste à l’élaboration d’un système de focalisation de rayonnement laser dans la plage rayon-X et ultraviolet. Ces longueurs d’ondes ont été choisies parce qu’elles ne sont pas absorbées par l’eau, mais principalement par les atomes composant les molécules organiques comme par exemple le carbone, l’azote et l’oxygène. Le système est conçu avec l’aide du logiciel de conception optique Zemax afin de simuler le mieux possible les configurations envisagées pour le microscope. L’implantation dans la chambre sous vide est une étape importante du projet, car l’espace est restreint et les possibilités de faire déplacer et ajuster des miroirs est difficile. Si le projet se déroule comme prévu, il serait théoriquement possible de voir des processus biologiques et organiques à des échelles attosecondes et à des résolutions meilleures que la microscopie conventionnelle optique.




Mireille Ouellet, MSc

Observatoire de Leiden

Projet de maîtrise: Système optique d'imagerie haut contraste embarqué sur un ballon stratosphérique (2019)

Plusieurs projets de télescopes spatiaux ont pour objectif d’étudier des exoplanètes en ayant recours à des techniques d’imagerie directe à haut contraste. Afin d’atteindre une différence de contraste requise entre la lumière de l’étoile et celle réfléchie par l’exoplanète, ses systèmes doivent utiliser un coronographe pour occulter la lumière de l’étoile et corriger en temps réel les erreurs de front d’onde avec des techniques d’optique adaptative. Les aberrations sont détectées par un analyseur de front d’onde, puis une boucle de contrôle envoie une commande qui modifie la surface d’un miroir déformable pour compenser les erreurs de front d’onde. Les performances des systèmes d’optiques adaptatives sont cependant souvent limitées par la présente d’erreurs quasi statiques qui sont causées par la différence de trajet optique entre la caméra de science et le senseur de front d’onde. Un système d’imagerie haut contraste a donc été développé pour démontrer le potentiel d’une technique de contrôle qui permet d’éliminer cette source d’erreur. Cette boucle de contrôle a la particularité d’utiliser un coronographe qui permet d’analyser les erreurs de front d’onde directement à partir de l’image de la caméra de science. Le système optique développé dans le cadre de ce mémoire a été testé en laboratoire et a également été optimisé pour réaliser une démonstration fonctionnelle dans des conditions similaires à l’espace lors d’un vol de ballon dans la stratosphère. Les résultats de vol ont permis de valider la maturité technologique de certaines composantes qui ont le potentiel d’être utilisées pour les prochaines générations de télescopes spatiaux.




Denis Panneton, PhD

INO

Projet de doctorat: Focalisation extrême par des éléments optiques non-paraxiaux (2018)
Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques décrivant la focalisation non-paraxiale de champs électromagnétiques. Des solutions vecto- rielles sont développées, suivant une généralisation du formalisme intégral de Richards-Wolf. La thèse se scinde en deux principales avenues. La première consiste à décrire, en langage mathématique moderne, le formalisme de Richards-Wolf qui permet de décrire les champs électromagnétiques vectoriels au foyer de systèmes focalisants. Le formalisme est exploré et plusieurs solutions analytiques aux équations intégrales de Richards-Wolf sont introduites. La deuxième avenue consiste en la généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes à foyer étendu (par exemple, distribué sur une ligne). Utilisant une méthode com- binée, basée sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle 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 hypothèse paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/onde plane uniforme 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 compréhension physique plus instinctive des phénomènes d’inter- férence 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 a priori sur le système focalisant. Sur le plan concret, les outils mathématiques décrits et développés dans cette thèse permettent une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies, notamment en microscopie à haute-résolution, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique. Il s’agit de la première méthode systématique proposée pour calculer le profil de faisceaux focalisés par des sections coniques (sphères, ellipses, etc.) par des moyens analytiques.




Deven Patel, MSc

Actalent

Projet de maîtrise: Structures mécaniques et stratégie de gestion thermique pour la mission sur ballon stratosphérique HiCIBaS (2019)
Le projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) est une mission de télescope à ballon dirigé dans le but de l'imagerie exoplanète en utilisant des techniques à contraste élevé. Pour la première mission en 2018, les principaux objectifs étaient de développer les systèmes nécessaires et de valider leurs performances, d'acquérir des données de vol et de prouver la capacité de survie de tous les systèmes et composants majeurs dans des conditions proches de l'espace. Ce projet de maîtrise porte sur deux aspects de la charge utile : la conception de la monture de télescope alt-az dynamique pour le système de pointage et le développement des sangles thermiques personnalisées pour le système optique. La monture du télescope est la structure qui supporte le télescope et permet aux moteurs du système de pointage de le diriger vers la position souhaitée. Les sangles thermiques personnalisées sont une solution développée pour dissiper la chaleur générée par les principaux composants du système optique (caméras, contrôleurs, etc.). Les deux solutions ont été testées lors d’un vol de nuit en août 2018 dans le cadre de la campagne STRATOS de l’agence spatiale canadienne à Timmins, en Ontario. Ce mémoire définira les exigences des deux systèmes, présentera le développement des conceptions, détaillera les analyses et les tests effectués, démontrera la conformité aux exigences, commentera sur les performances de la mission et donner des conseilsdes moyens d'améliorer les deux conceptions pour les futures itérations du projet.




Jocelyn Parent, PhD

Immervision

Projet de doctorat: Système d'imagerie à grandissement variable localement par contrôle actif de la distorsion (2012)

Cette thèse présente un nouveau type de système optique, un imageur à grandissement localisé. L'idée derrière ce dernier est de modifier en temps réel la distorsion à l'aide d'un composant optique actif qui est positionné loin des pupilles pour permettre de modifier chaque champ local de façon individuelle. Avec la bonne déformation de la surface active, on peut alors créer des zones de l'image avec un grandissement augmenté. De plus, si l'on désire conserver le champ de vue total constant, il est possible d'y parvenir en combinant ces zones d'intérêt à des zones de redressement où le grandissement est diminué.

Pour bien comprendre comment se comportent ces systèmes avec beaucoup de distorsion, une analyse des erreurs de surface est d'abord présentée. Cette étude permet de conclure que dans la conception de ce type de lentilles, des tolérances plus serrées doivent être choisies dans certaines parties de la surface, contrairement à un critère de qualité unique partout sur la surface comme la norme actuelle le propose. Ensuite, à partir de ces résultats du déplacement dans le plan image par rapport à une erreur donnée, un concept d'imageur à grandissement localisé est développé. Ces simulations Zemax subséquentes conduisent finalement à un prototype expérimental utilisant un miroir déformable ferro-fluidique comme surface active. Bref, s'il est possible de vaincre les limites fondamentales, cet imageur à grandissement localisé a le potentiel de révolutionner certains domaines d'imagerie grâce à ses capacités originales en conception optique.




Charles Pichette, MSc

Université Laval

Projet de maîtrise: Conception et optimisation de canaux de détection à base de photodiodes à avalanche (SPADs) pour le comptage de photons pour la tomographie optique diffuse (2017)

Ce mémoire présente les améliorations suggérées au scanneur de tomographie optique diffuse du groupe TomOptUS de l'Université de Sherbrooke. La tomographie optique diffuse est une modalité d'imagerie qui permet d'utiliser la lumière dans le proche infrarouge (650 - 950 nm) pour faire l'imagerie en profondeur (> 1 cm) de petits animaux comme des souris. Cette technique est très intéressante en pharmacologie et en oncologie où elle permet de faire le suivi de médicaments ou de la progression d'une pathologie. Elle permet également de réduire le nombre de sacrifices d'animaux, puisqu'elle est non-invasive. Il est donc possible de faire un suivi dans le temps de l'objet sous étude. Cette technique fonctionne aussi en fluorescence et permet donc d'utiliser différents agents pour faire le marquage d'objets d'intérêt dans l'animal. Ce scanneur fonctionne dans le domaine temporel et acquiert le temps de vol des photons qui ont traversé le sujet pour reconstruire l'impulsion laser via le comptage de photons corrélé en temps avec une source laser ultrarapide. Le présent scanneur utilise 7 canaux de détection sans contact positionnés en anneau autour du sujet. Ce nombre est présentement trop faible pour avoir un temps d'acquisition satisfaisant. Il a été déterminé que le facteur limitant est la rotation mécanique des canaux autour du sujet pour obtenir une couverture angulaire satisfaisante. Pour réduire le temps d'acquisition, il a été suggéré d'augmenter le nombre de canaux jusqu'à 32 voire 64. Toutefois, les présents canaux utilisent des tubes photomultiplicateurs qui sont trop volumineux pour une telle densité de détecteurs autour de l'animal. Des photodiodes à avalanches ont donc été envisagées pour les remplacer, puisqu'elles sont moins volumineuses, en plus d'offrir une meilleure efficacité quantique et une meilleure précision temporelle. Ceci les rend particulièrement efficaces pour le comptage de photons. Ces photodiodes ont cependant une zone photosensible avec un diamètre considérablement plus petit que les tubes photomultiplicateurs (25 - 100 μm comparativement à ≈ 1 cm pour les tubes photomultiplicateurs). Ceci réduit le taux de comptage, ainsi que le ratio signal sur bruit et rend l'alignement difficile. Le présent projet est donc d'optimiser les canaux de détection incorporant ces photodiodes à avalanches. Une analyse des paramètres et des contraintes a d'abord été faite pour cibler les spécifications optimales des canaux. Ensuite, plusieurs concepts optiques sont présentés et analysés qui offrent des performances optimales avec un taux de comptage maximal. Ces nouveaux canaux utilisent des lentilles d'immersion comme concentrateurs optiques. Ces lentilles hémisphériques peuvent atteindre un rapport de concentration de ≈ n², ce qui correspond dans le cas présent à ≈ 4. Ceci se traduit en une augmentation du taux de comptage et du rapport signal sur bruit du même rapport. L'installation et l'alignement de ces lentilles d'immersion sur les photodiodes à avalanches dans un module sur mesure ont ensuite été réalisés et la confirmation expérimentale de cette augmentation du taux de comptage a été démontrée avec des mesures intrinsèques et en fluorescence. Cette augmentation expérimentale est appuyée par des simulations Zemax qui sont en excellent accord avec l'expérimental. Finalement, la confirmation que ces lentilles n'affectent pas la précision temporelle des photodiodes a été obtenue expérimentalement.




Anne-Sophie Poulin-Girard, PhD

Université Laval

Projet de doctorat: Paire stéréoscopique Panomorphe pour la reconstruction 3D d'objets d'intérêt dans une scène (2016)

Il existe désormais une grande variété de lentilles panoramiques disponibles sur le marché dont certaines présentant des caractéristiques étonnantes. Faisant partie de cette dernière catégorie, les lentilles Panomorphes sont des lentilles panoramiques anamorphiques dont le profil de distorsion est fortement non-uniforme, ce qui cause la présence de zones de grandissement augmenté dans le champ de vue. Dans un contexte de robotique mobile, ces particularités peuvent être exploitées dans des systèmes stéréoscopiques pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt qui permettent à la fois une bonne connaissance de l’environnement, mais également l’accès à des détails plus fins en raison des zones de grandissement augmenté. Cependant, à cause de leur complexité, ces lentilles sont difficiles à calibrer et, à notre connaissance, aucune étude n’a réellement été menée à ce propos. L’objectif principal de cette thèse est la conception, l’élaboration et l’évaluation des performances de systèmes stéréoscopiques Panomorphes. Le calibrage a été effectué à l’aide d’une technique établie utilisant des cibles planes et d’une boîte à outils de calibrage dont l’usage est répandu. De plus, des techniques mathématiques nouvelles visant à rétablir la symétrie de révolution dans l’image (cercle) et à uniformiser la longueur focale (cercle uniforme) ont été développées pour voir s’il était possible d’ainsi faciliter le calibrage. Dans un premier temps, le champ de vue a été divisé en zones à l’intérieur desquelles la longueur focale instantanée varie peu et le calibrage a été effectué pour chacune d’entre elles. Puis, le calibrage général des systèmes a aussi été réalisé pour tout le champ de vue simultanément. Les résultats ont montré que la technique de calibrage par zone ne produit pas de gain significatif quant à la qualité des reconstructions 3D d’objet d’intérêt par rapport au calibrage général. Cependant, l’étude de cette nouvelle approche a permis de réaliser une évaluation des performances des systèmes stéréoscopiques Panomorphes sur tout le champ de vue et de montrer qu’il est possible d’effectuer des reconstructions 3D de qualité dans toutes les zones. De plus, la technique mathématique du cercle a produit des résultats de reconstructions 3D en général équivalents à l’utilisation des coordonnées originales. Puisqu’il existe des outils de calibrage qui, contrairement à celui utilisé dans ce travail, ne disposent que d’un seul degré de liberté sur la longueur focale, cette technique pourrait rendre possible le calibrage de lentilles Panomorphes à l’aide de ceux-ci. Finalement, certaines conclusions ont pu être dégagées quant aux facteurs déterminants influençant la qualité de la reconstruction 3D à l’aide de systèmes stéréoscopiques Panomorphes et aux caractéristiques à privilégier dans le choix des lentilles. La difficulté à calibrer les optiques Panomorphes en laboratoire a mené à l’élaboration d’une technique de calibrage virtuel utilisant un logiciel de conception optique et une boîte à outils de calibrage. Cette approche a permis d’effectuer des simulations en lien avec l’impact des conditions d’opération sur les paramètres de calibrage et avec l’effet des conditions de calibrage sur la qualité de la reconstruction. Des expérimentations de ce type sont pratiquement impossibles à réaliser en laboratoire mais représentent un intérêt certain pour les utilisateurs. Le calibrage virtuel d’une lentille traditionnelle a aussi montré que l’erreur de reprojection moyenne, couramment utilisée comme façon d’évaluer la qualité d’un calibrage, n’est pas nécessairement un indicateur fiable de la qualité de la reconstruction 3D. Il est alors nécessaire de disposer de données supplémentaires pour juger adéquatement de la qualité d’un calibrage.

Projet de maîtrise: Banc de caractérisation pour lentilles panoramiques (2011)

Les particularités des lentilles panoramiques font de leur caractérisation un défi. Pour les applications de vision, une connaissance de la distorsion est essentielle pour produire des vues naturelles. Aussi, toutes les directions étant importantes, la qualité de l'image doit être uniforme sur tout le champ de vue. Nous avons donc développé un banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Avec des cibles référencées, nous avons obtenu avec rapidité et facilité les profils de distorsion, ce qui a permis de calculer la résolution instantanée linéaire sur tout le champ de vue. Également, des cibles inclinées ont été utilisées pour déterminer la fréquence spatiale où la MTF est de 50% en fonction de l'angle dans le champ de vue. À l'aide de deux caméras, nous avons testé deux lentilles panomorphes et deux lentilles fisheyes pour lesquelles nous avons calculé la résolution instantanée et les courbes de MTF et comparé certains résultats à des simulations.




Mireille Quémener, MSc

Centre de recherche CERVO

Projet de maîtrise: Conception, fabrication et caractérisation d'un GRIN-Axicon pour une application en microscopie multi-photonique (2020)

Les avancées technologiques concernant la microscopie ont permis la création d’une grande variété de systèmes optiques dédiés à l’investigation du comportement dynamique des cellules in vivo. En neuroscience, le défi réside dans l’observation des interactions entre des neurones marqués d’un fluorophore qui sont situées à différentes profondeurs dans le tissu. Afin d’y arriver, il est nécessaire de balayer l’échantillon sur plusieurs plans transverses pour couvrir entièrement son volume. Puisque cette procédure diminue la résolution temporelle, il a été proposé d’utiliser un axicon pour augmenter la profondeur de champ du microscope et minimiser le nombre de balayages à effectuer. Cependant, l’axicon est difficile à fabriquer et possède généralement des défauts sur la pointe du cône, dégradant ainsi la qualité de la composante.

En vue de remplacer l’axicon par un autre composant optique dont la fabrication n’entraîne pas de défauts, il a été envisagé d’utiliser une lentille à gradient d’indice (GRIN-Axicon). Des simulations ont montré que le GRIN-Axicon couplé à une lentille a le potentiel de produire un faisceau de bonne qualité. Toutefois, les tests expérimentaux ont été très brefs et il est nécessaire d’investiguer davantage le comportement ce composant en laboratoire. L’objectif du projet de maîtrise est donc de concevoir et fabriquer et caractériser un GRIN-Axicon pour une application en microscopie multi-photonique.




Madison Rilling, PhD

Optonique

Projet de doctorat: Développement d’un système de dosimétrie à scintillation 3D pour une application clinique en radiothérapie externe (2020)

Les traitements actuels de cancer en radiothérapie externe profitent grandement de modalités dynamiques afin d’administrer des doses de radiation optimales aux patients. Afin de minimiser la possibilité d’erreurs au sein de la chaîne de traitement, des outils pouvant mesurer rapidement la dose de radiation en 3D forment des candidats d’assurance-qualité idéaux envers une administration juste et précise de la dose. Cependant, les outils présentement disponibles se limitent à des mesures en 2D, ou sont inadéquats pour mesurer de la dose qui varie rapidement dans l’espace ou le temps. Dans ce contexte, mon projet de recherche a pour but le développement d’un outil clinique pour les mesures rapides de haute précision et de haute résolution des distributions de dose tridimensionnelles en radiothérapie externe. Puisque la preuve de faisabilité d’un système de dosimétrie à scintillation 3D a été établie, mon projet doctoral tente de combler cette lacune en poursuivant dans cette voie technologique. Comme cible, le système utilise un volume 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, enregistrant à la fois l’information spatiale et directionnelle de la lumière incidente. En appliquant des algorithmes tomographiques aux images acquises, nous tentons de reconstruire la distribution de dose 3D mesurée afin de la comparer au patron de dose planifié. Le projet implique donc la conception et l’optimisation de l’optique d’un système qui exploite les principes de la dosimétrie à scintillation et de la technologie plénoptique, tout en tenant compte des contraintes cliniques des traitements de radiothérapie externe.




Frédéric Roy, MSc

Miralis

Projet de maîtrise: Conception d’un outil de mesure de l’éblouissement produit par un luminaire extérieur à DEL dans des conditions de nuit pour un piéton (2020)

L’éblouissement produit par les luminaires à diodes devient un enjeu de plus en plus important avec l’explosion de leur utilisation pour l’éclairage urbain. L’objectif de ce projet est de ce concentré sur l’éblouissement ressenti par les piétons la nuit contrairement à la vaste majorité de la littérature qui s’attarde principalement sur les automobilistes et sur les conditions intérieures. Dans un premier temps, un profil d’éclairage angulaire limitant l’éblouissement doit être déterminé à l’aide de modèle mathématique de la réponse de l’œil. L’inconfort ressenti par les piétons peut difficilement être défini à partir une mesure en un point du champ de vision puisque la luminance à un angle donné ne suffit pas pour définir le profil complet d’un luminaire et la perception de la luminance change selon la position dans le champ de vue. Dans cette optique, la mesure du profil de luminance angulaire devrait prendre en considération l’éblouissement ressenti sur l’ensemble du déplacement sous le luminaire. Dans un deuxième temps, une échelle de mesure basée sur la divergence de ce profil « idéal » va être obtenue. Par la suite, un algorithme de mesure de l’éblouissement utilisant cette nouvelle échelle va être produit. Cet algorithme reposera sur le traitement de l’image d’un document vidéo et de la position angulaire de la source. Cet algorithme devra être compatible avec, les fonctionnalités présentent à l’intérieur des téléphones cellulaires, dans le but de faire le portage en application mobile. Cette application mobile devrait rendre facilement accessible ce nouvel outil de caractérisation de l’éblouissement des luminaires pour les techniciens et le grand public.




Cédric Vallée

Nuvu Caméras

Projet de maîtrise: Mesure et analyse des turbulences atmosphériques résiduelles en haute altitude à l’aide des données de déformation de front d’onde aux bas ordres

Dans le cadre du projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System), un télescope de 14 pouces muni d’un capteur de front d’onde et d’un miroir déformable est envoyé à 35Km d’altitude afin de tester notamment le fonctionnement d’un miroir déformable de type MEMS (Microelectromechanical systems), de caméras Nüvü et d’autres instruments dans des conditions similaires aux conditions spatiales. Outre mesure, le projet à pour but scientifique d’obtenir les données du LOWFS (Low Order Wavefront Sensor) embarqué dans le ballon HiCIBaS et d’en extraire une mesure des turbulences atmosphériques en haute altitude. Les charges du projet de maîtrise sont de designer et développer le logiciel de communication et d'asservissement des sous systèmes, définir les requis de l’ordinateur de bord et le designer. Les charges incluent également de développer les logiciels de réduction et d’analyse des données qui seront utilisés après le vol. L’interface de communication utilisera le réseau fourni par l’agence spatiale canadienne afin de communiquer avec le sol. Le logiciel embarqué sera apte à contrôler les sous systèmes de façon autonome et utilisera un système de gestion de base de données afin d’assurer une cohérence chronologique des données nécessaire pour différencier des données aberrantes provenant du système. La mesure des turbulences sera effectuée en décomposant les aberrations du front d’onde avec la statistique phénoménologique de Kolmogorov.




Maxime Vernier, MSc

Febus Optics

Projet de maîtrise: Simulation de détection de débris spatiaux sur Matlab (2021)

Le projet de recherche consiste en l’étude de la détection de débris spatiaux. Ce projet est une collaboration entre l’Université Laval et ABB. La première étape est de coder une simulation sur Matlab de la situation. Le but étant de savoir s’il est possible de détecter des débris spatiaux de petites tailles (<10cm) en utilisant une caméra embarquée sur un satellite. On prendra comme modèle de débris une bille où la réflexion spéculaire et diffuse sont prises en compte dans le calcul de la magnitude. L’angle de phase entre le Soleil, le débris et le satellite est un paramètre important de la magnitude apparente du débris, de même que la taille du débris ou encore sa distance avec le satellite. Les vitesses du satellite et du débris sont aussi prises en compte pour déterminer la longueur du trait que fait le débris sur le capteur de la caméra. Les différents fonds de ciel et autres bruits sont aussi intégrés à la simulation. On peut ainsi obtenir la photo que prendrai notre camera du débris. Une étude de la répartition des débris en orbite est à envisager. De même qu’une étude de la re-détection serait un point intéressant et permettrait de répondre de façon plus complète à la problématique.