Équipe

Équipe de recherche

Denis Brousseau a obtenu son doctorat en physique à l'Université Laval en 2008, sous la direction du professeur Ermanno F. Borra. Après son doctorat, il s'est joint à la Chaire de recherche industrielle du CRSNG en conception optique à l'Université Laval en tant que professionnel de recherche sous la direction du professeur Simon Thibault, titulaire de la chaire. Il effectue des travaux de conception optique à caractère scientifique ou industriel et participe aux activités de recherche de la Chaire. En instrumentation astronomique, il a participé à la conception, l'assemblage et a réalisé les tests des composantes optiques de SITELLE et de SPIRou, deux instruments du télescope Canada-France-Hawaii. Il a développé un banc de simulation optique pour NIRISS (JWST) et fait la conception optique de PESTO (OMM) et du générateur d’astérisme laser du KECK. Il a aussi travaillé sur NIRPS (Near Infra-Red Planet Searcher), un spectromètre infrarouge destiné au télescope de 3,6 m de l'ESO au Chili et sur GIRMOS (Gemini Infrared Multi-Object Spectrograph), un spectrographe infrarouge multi-objets pour l'Observatoire Gemini.

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Hugues Auger a complété un diplôme d'étude collégiales en technologie physique au Cégep de La Pocatière en 1988. Il se joint par la suite à l'INO à titre de technologue. Il participe alors à toutes les étapes de la fabrication des produits, de la planification à l'inspection finale. Il forme le personnel en place et est responsable d'un parc d'équipement. Il se familiarise avec une variété d'équipements spécialisés et différents appareils de mesure. En 2009, il rejoint la Chaire industrielle du CRSNG en conception optique à l'Université Laval. Son expertise poussée en optique diffractive, lithographie, microgravure, microfabrication et caractérisation est mise à profit dans ses nouvelles fonctions. Il est également le technologue responsable du laboratoire d'assemblage et de caractérisation optique, ainsi que du laboratoire de fabrication de composantes optiques.

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Le biomimétisme est une philosophie de design qui oriente le développement de nouvelles technologies en s’inspirant des solutions qui sont développées naturellement par le vivant. Beaucoup des problèmes rencontrés en ingénierie sont similaire à ceux qu’il est possible de rencontrer dans la nature. Les solutions qui sont trouvées par l’évolution par la sélection naturelle sont souvent unique et s’éloignent de celles qui sont déjà répandue en ingénierie.

Dans le domaine de l’optique, il devient naturel de s’inspirer des différentes façon dont le monde du vivant s’est adapté pour utiliser la lumière qui l’entoure. Les yeux sont un exemple d’adaptation spécifique des espèces animales à leur façon d’interagir avec l’environnement. Le projet de recherche s’intéressera donc à ces solutions en appliquant celles-ci à des systèmes optiques pour la vision numérique. Plus particulièrement, nous nous concentrerons sur les problèmes en vision active, qui utilise les mouvements du système optique afin d’obtenir plus d’information sur la scène à analyser.

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La modalité d'imagerie sans lentille utilise la fonction de transfert de lumière complexe pour reconstruire les images enregistrées par une caméra standard (CMOS ou CCD). La lumière provenant de l'objet est modulée par un masque d'amplitude ou de phase devant la caméra. Bien que cette modalité soit connue, le type d'imageur n'a pas été étudié ou optimisé à l'aide d'un logiciel de conception de lentilles. Nous proposons de développer une nouvelle méthode pour optimiser l'imageur sans lentille en se basant sur la pratique de la conception de lentilles.

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Pour un système optique classique, il est possible de contrôler le front d’onde en accumulant judicieusement le déphasage dû à la propagation dans chacunes de composantes réfractives et diffractives. Dernièrement, un nouvel engouement est porté aux métasurfaces parce qu’elles permettent un contrôle de la phase, de l'amplitude et de la polarisation sur une distance de quelques microns en exploitant les propriétés aux frontières des petites structures formant celle-ci par exemple. Leur utilisation reste marginale en raison de la difficulté de modéliser les propriétés optiques attendues de ces surfaces. De longues simulations numériques sont nécessaires même pour un cas simple: un réseau de nanofins. Dans le contexte du design optique, cette situation est problématique puisqu’elle limite grandement la capacité du designeur à déterminer une combinaison optimale de composantes optiques pour une application donnée.

Ce projet vise donc à proposer un modèle analytique ou semi-analytique permettant de décrire l’effet d’une métasurface simple sur un front d’onde incident donné. Les propriétés optiques observées seront reliées à un traitement des aberrations traditionnel pour que ce type de surface devienne intéressante du point de vue d’un designeur optique. Le traitement des autres types de métasurfaces passera par une généralisation du formalisme présenté. Enfin, les propriétés uniques de ces surfaces optiques pourront être appliquées pour de nouvelles applications.

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Les images grand angle se caractérisent par un champ de vue imagé supérieur à 100° et sont obtenues avec des systèmes optiques à très courte focale. Ce large champ de vue les rende très intéressantes pour les applications de vision par ordinateur. Les méthodes d’apprentissage profond en particulier les réseaux de neurones convolutifs ont cependant besoin de données de référence pour superviser leur entraînement. Ces données se composent d’images et d’annotations telles que les objets présents sur l’image, une carte de profondeur etc … Ces annotations sont souvent difficiles à collecter et les datasets disponibles sont majoritairement composés d’images perspective, plus courantes, ce qui rend l’ utilisation des réseaux entraînés sur les images grand angle impossible.En effet ces dernières présentent une distorsion très importante donnant lieu à une baisse de performance conséquente lorsque utilisées sur ces réseaux. Pour pallier cela, les images grand angle sont généralement corrigées avant d’être utilisées sur les réseaux, tâche coûteuse en temps et donnant lieu à une diminution du champ de vue.

La démocratisation des systèmes d’imagerie grand angle donne accès à de plus en plus de données ce qui rend possible leur utilisation lors de l’entraînement de réseau de neurones. Le but de ce projet de recherche est d’étudier l’influence de la distorsion sur ces réseaux de neurones en prenant l’estimation de profondeur comme cas d’étude. Plus précisément, nous cherchons à savoir si nous pouvons nous affranchir du processus de correction des images grand angle afin de conserver toute l’information disponible en entraînant directement des réseaux sur ces images. Pour nos images grand angle, nous avons utilisé des lentilles panomorphes développées par l’entreprise Immervision qui présentent une distorsion non-linéaire. Elles utilisent le principe de distorsion contrôlée afin d’obtenir une résolution augmentée dans certaines zones de l’image. Le second but de cette étude est d’étudier l’influence de ces propriétés sur les performances des réseaux afin de déterminer si nous pouvons obtenir une amélioration de l’estimation de la profondeur dans ces regions d’intérêt.

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Dans le cadre mon projet, nous cherchons à développons un nouveau senseur de front d'onde modal basé sur les cristaux photoniques et les métasurfaces. Des structures de cristaux photonique ont été utilisée avec succès pour moduler de la phase afin de transformer un faisceau gaussien en faisceau Laguerre-Gauss ou en un autre mode de faisceau. Lorsque la lumière traverse de petite structure elle se comporte différemment et cela peut être utilisé pour optimiser un senseur de front d'onde modal. Une optimisation des cristaux photoniques devrait nous permettre de trouver de l’informations sur le front d'onde dans le plan de Fourier. Avoir un senseur de front d'onde modal peut être avantageux par rapport à un senseur de front d'onde zonal tel que le Shack-Hartmann car la reconstruction du front d'onde est beaucoup plus rapide si nous obtenons directement les modes (les polynômes de Zernike). Il existe déjà des senseurs de front d'onde modaux, généralement produits par holographie. Nous avons espoir d’avoir un système plus simple à utiliser et moins limité en fréquence que les senseurs de front d'onde holographique tout en gardant la rapidité caractéristique des senseurs de front d’onde modal.

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Description à venir.

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Les méthodes utilisées pour mesurer les propriétés de la neige sont actuellement lentes et demandent plusieurs manipulations ce qui ne permet pas de mesurer ces propriétés tout au long de l’année. Mon projet de maîtrise porte sur le développement d’un appareil mesurant automatiquement les propriétés optiques de la neige. Comme la neige est composée de glace et d’air, deux matériaux transparents, il est possible d’utiliser des méthodes optiques pour la caractériser. Les propriétés optiques de la neige sont la densité et la teneur en impuretés de celle-ci ainsi que la surface spécifique, le paramètre d’amplification de l’absorption et la fonction de phase des grains qui la compose. Toutes ces propriétés influencent le parcours des photons dans le milieu hautement diffusant qu’est la neige. Cet appareil sera constitué d’une diode laser modulée en intensité et de photodétecteurs. L’objectif est donc d’observer le transfert radiatif dans la neige afin d’en faire l’inversion pour retrouver les propriétés de la neige. Les études précédentes sur l’albédo et la transmittance de la neige démontrent qu’il est impossible d’isoler toutes les propriétés de la neige en utilisant uniquement ses deux propriétés optiques apparentes de la couverture de neige. Il est ainsi nécessaire de développer une autre méthode de mesure permettant de retrouver ces propriétés optiques de la neige. La principale innovation de ce projet est l’ajout d’une dimension temporelle qui permet d’obtenir davantage d’informations permettant de faire l’inversion sur les propriétés de la neige. Puisque la lumière voyage plus lentement dans la glace que dans l’air, il est attendu que la réponse temporelle du milieu varie avec les différentes propriétés optiques de la neige. Le projet est actuellement en phase exploratoire. Afin d’avoir le contrôle sur les propriétés optiques de la neige, des grains de forme variés sont importés dans un logiciel de tracé de rayons qui permet de simuler le parcours de la lumière dans n’importe quel milieu et qui permet, par son réalisme de retrouver le temps de propagation d’un rayon contrairement aux modèles de transferts radiatifs habituellement utilisés. À l’aide de nombreuses simulations pour différents paramètres, il sera possible de construire une base de données de temps de parcours et il suffira ensuite d’interpoler les résultats obtenus sur le terrain avec les données simulées.

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La microscopie par holographie numérique a émergé il y a une vingtaine d’année et est aujourd’hui utilisée pour étudier de manière tri-dimensionnel des échantillons couvrant de nombreux domaine allant de la micro-électronique à l’analyse cellulaire. Toutefois, cette technique est très sensible aux aberrations optiques, ces déformations de l’image causées par les systèmes d’imagerie et qu’il est nécessaire de maitriser au maximum pour obtenir des images de qualité. Parallèlement, des traitements numériques ont été développées afin de corriger une partie de ces aberrations.

Le présent projet consiste donc à vérifier à quel point ces méthodes de correction des aberrations sont efficaces. Cette connaissance permettra aux concepteurs optiques d’élargir leurs critères lors de l'élaboration de ce genre de microscope, ce qui permettra de les rendre plus compact, moins onéreux et plus performants.

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La caractérisation des turbulences atmosphériques à 40 kilomètres est un projet novateur qui s'appuie sur le système HiCIBaS (High Contrast Imaging Balloon System). HiCIBaS est un projet de télescope embarqué à bord d'un ballon soutenu par le programme FAST de l'Agence spatiale canadienne (CSA). Ce financement offre une opportunité précieuse pour former du personnel hautement qualifié en soutenant des projets impliquant des étudiants et de jeunes chercheurs. De plus, l'équipe bénéficie des installations et du personnel du programme STRATOS de la CSA, qui permet aux projets académiques et industriels d'effectuer des expériences scientifiques à des altitudes stratosphériques à l'aide de vols en ballon. Cela offre aux petites équipes la possibilité de tester de nouveaux équipements et des expériences novatrices dans des conditions proches de l'espace. Ce projet est joint à la phase 2 du projet HiCIBaS. Cette phase du projet offre à l'équipe l'occasion de:
1.Développer et tester un système d'optique adaptative à une altitude de 36 à 40 km.
2.Mesurer et recueillir des données dans différentes conditions atmosphériques.
3.Acquérir des connaissances sur la dynamique atmosphérique à haute altitude.
4.Tester des systèmes optiques et des technologies canadiennes dans des conditions similaires à l'espace.
Ce projet vise à améliorer notre compréhension des turbulences atmosphériques à une altitude de 40 kilomètres, ce qui pourrait avoir des applications importantes dans des domaines tels que l'astronomie et les communications satellitaires. Les données collectées permettront d'optimiser les systèmes optiques et de contribuer à l'avancement des technologies spatiales canadiennes.

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Ces dernières années, un intérêt grandissant de la recherche dans le domaine de l’imagerie 3D a entraîné d’importantes avancées technologiques dans ce secteur. Leurs applications sont très variées et s’inscrivent dans le domaine médical, de la défense ou du divertissement, par exemple. Ce projet de recherche, par une approche expérimentale appuyée par la conception optique permettra de fournir, d’une façon innovante, une évaluation des performances optiques de différents systèmes d’imagerie 3D pour la vision humaine. Dans cette optique, deux projets expérimentaux seront alors abordés selon la méthode suivante. Dans un premier temps, le but sera de développer un dispositif expérimental capable de générer et de projeter des images 3D. Dans un deuxième temps, l’objectif sera de fournir une méthode efficace d’évaluation de ses performances permettant une analyse quantitative des mesures. Dans un troisième temps, nous chercherons à optimiser ces performances.

Le premier projet expérimental portera sur les écrans 3D autostéréoscopiques basés sur le principe de l’imagerie intégrale, qui permettent de former des images 3D adaptées à la vision humaine sans utilisation d’outils complémentaires. L’imagerie intégrale utilise une matrice de microlentilles réfractives. Notre finalité sera de la remplacer par une matrice de méta-surfaces afin de pouvoir implémenter ce principe d’imagerie sur des appareils mobiles tels que des cellulaires ou des tablettes. Le second projet expérimental portera sur la projection volumétrique basée sur l’absorption à deux photons dans une matrice cubique contenant des points quantiques. Un balayage laser tridimensionnel dans cette matrice permettra d’exciter ces points quantiques et de créer une illumination locale dans le volume (appelée voxel). Ces deux aspects du projet de recherche ont une forte composante expérimentale et nécessitent une phase de conception, d’analyse et de caractérisation afin d’optimiser les performances optiques.

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Les raies d’émission provenant des régions HII sont de très bon indicatif dans la détermination d’abondance chimique dans les galaxies afin de comprendre leur évolution. Ces régions de gaz ionisés par de jeunes étoiles chaudes permettent aussi l’identification processus physique telle que les chocs et la photo-ionisation dans le milieu interstellaire. Par contre, il y a de très grandes incertitudes associées à la détermination des abondances chimiques due à notre compréhension incomplète de ces régions ionisées. Ces régions sont fortement complexes et avec les interactions que le gaz subit avec son environnement crée une cinématique complexe. La turbulence devient donc un acteur important. De plus selon la méthode de calcul pour déterminer ces abondances, les résultats ne sont pas équivalents. Ce problème est vieux de plus de 70 ans et se nomme le problème de divergence d’abondance. Plusieurs raisons et hypothèses sont amenées afin d’expliquer ces résultats : fluctuations de température, inhomogénéités chimiques ou encore de densité. Aussi, la majorité des observations présentes dans la littérature proviennent de spectroscopie classique qui pourrait faire partie du problème dû à l’unidimensionnalité de la méthode d’observation.

Ce projet vise donc de faire l’analyse thermodynamique de régions HII à l’aide de cartes bidimensionnelles diagnostiques de paramètres physiques telles que la densité et température électronique à petite échelle afin de quantifier les potentielles fluctuations de ces paramètres. Des analyses Monte-Carlo seront implémentées pour obtenir une précision sur ces caractéristiques physiques des nébuleuses. Le tout sera possible à l’aide des grandes résolutions spectrales et spatiales de l’instrument SITELLE (Spectromètre Imageur à Transformée de Fourier pour l’Étude en Long et en Large des raies d’Émission) installé au TCFH afin d’obtenir ces cartes.

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Depuis le début de la Conquête de l'espace, les débris spatiaux représentent une menace croissante; leur vitesse relative fait que même les plus petits d'entre eux constituent un danger potentiel. Avec tous ces objets dans l'espace qui nous entourent, les collisions entre objets spatiaux résidents (RSO) constituent une menace inévitable et entraîneront une croissance exponentielle de la population des débris de petite taille (inférieur à 10 cm).

Le projet de maîtrise consiste à déterminer les caractéristiques nécessaires pour une caméra servant à la détection des débris spatiaux à partir d'un télescope installé sur un ballon stratosphérique. Ces caractéristiques seront déterminés à l’aide d’une simulation de vol faite par un ancien étudiant à la maîtrise et en comparant les caméras CCD, CMOS et EMCCD pour une altitude entre 36 à 40 km. L'étudiant spécifie l'altitude nécessaire, l'angle du télescope et les périodes d'observation permettant d'observer les débris spatiaux. La charge utile nécessaire pour ce projet doit être choisi d'ici l’automne 2022 puisque la caméra va être intégrer au télescope du projet HiCIBaS-II (High-Contrast Imaging Balloon System) lors de son lancement à Timmins, en Ontario.

Pour réaliser ces objectifs, l'étudiant contribue au projet HiCIBaS-II, un instrument de mesure de turbulences atmosphériques embarqué sur un ballon stratosphérique dont le lancement est prévu pour septembre 2023 comme responsable des caméras et du contrôle des moteurs.

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