L'imagerie de Mueller permet de mesurer la totalité des propriétés polarimétriques d'un objet. Celui-ci peut être décrit par sa matrice de Mueller qui contient 16 degrés de liberté. Ces derniers décrivent les propriétés de biréfringence, de dichroïsme, de dépolarisation et de polarisance.
L'imagerie de Mueller consiste à illuminer la scène avec 4 états polarimétriques déterminés et à projeter l'onde rétrodiffusée ou transmise par l'objet, sur 4 autres états de polarisation, avant d'atteindre le détecteur matriciel qui génère l'image.
Ces états polarimétriques sont choisis pour minimiser la propagation des erreurs expérimentales lors des inversions matricielles permettant la reconstruction de la matrice de Mueller de l'objet.
Hors il s'avère que dans le cas de scènes difficiles à faible rapport signal à bruit, le contraste polarimétrique entre 2 objets de nature distincte peu s'avérer trop faible pour les distinguer. D'autre part, l'information contenue dans les 16 degrés de liberté de la matrice de Mueller de l'objet mène à 16 images ce qui rend difficile l'extraction de l'information pertinente.
Nous proposons dans cette thèse d'étudier une méthode d'imagerie qui s'adapte à la scène étudiée en utilisant des états polarimétriques choisis sur critères physiques pour optimiser le contraste polarimétrique en 2 zones aux propriétés polarimétriques différentes. En prenant en compte le bruit de Grenaille du détecteur, cette nouvelle technique d'imagerie à 2 canaux nommée APSCI (Adapted Polarimetric State Contrast Imaging) montre un gain en contraste quantifié par la distance de Bhattacharyya pouvant atteindre un facteur 10 par rapport à l'imagerie de Mueller. D'autre part, elle utilise la totalité de l'information polarimétrique de la scène pour générer une seule image au contraste optimum ce qui la rend particulièrement performante pour distinguer deux zones aux propriétés polarimétriques légèrement différentes.
Après un chapitre introduisant les différents formalismes mathématiques de Stokes et de Mueller, nous proposons un chapitre d'illustration de différentes propriétés polarimétriques en insistant sur l'importance de leur effet sur l'état polarimétrique incident en fonction de la position de celui-ci dans l'espace de Poincaré. Les observations proposées suggèrent que des états polarimétriques sont plus ou moins adaptés à une scène pour optimiser le contraste entre 2 zones aux propriétés polarimétriques différentes. Cette partie pose donc la problématique de trouver les états polarimétriques à utiliser pour optimiser un contraste quelque soit les propriétés polarimétriques de la scène étudiée.
La solution analytique complète de ce problème est proposée au chapitre suivant avec des illustrations associées. Le modèle proposé permet, en plus d'une interprétation physique, de quantifier les performances limites de la méthode APSCI en fonction des matrices de Mueller des 2 objets à discerner.
Le chapitre suivant est consacré à l'étude des performances de cette méthode soumise au bruit optique de tavelure de cible ('speckle'). Les simulations numériques montrent que les performances de cette méthode en terme de contraste polarimétrique restent relativement robustes et souvent très supérieures à celles obtenues par l'imagerie de Mueller classique.
Le dernier chapitre consiste à décrire l'implémentation expérimentale nécessaire à l'adaptation d'un imageur de Mueller en imageur APSCI en vue d'obtenir un imageur hybride Mueller/APSCI. La méthode APSCI nécessite de pouvoir utiliser en émission et en projection lors de la détection, n'importe quel état polarimétrique contrairement à l'imagerie de Mueller où seulement 4 états sont utilisés. Nous décrivons les modifications que nous avons apportées au système et obtenons une précision sur les composantes de Stokes des états générés de l'ordre de 1% lorsque la température ambiante reste stable à 1 degré près.
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Mueller imaging can measure the full polarization properties of an object. This can be described by the Mueller matrix which contains 16 degrees of freedom (DOFs). These DOFs can be related to the polarimetric properties known as birefringence, dichroism, depolarization and polarisance.
Mueller imaging comprises illuminating the scene with 4 specific polarimetric states and to project the backscattered or transmitted wave by the object on 4 independent direction, before reaching the detector matrix which generates the intensity images.
These polarimetric states are chosen to minimize the spread of experimental error in the matrix inversions for the reconstruction of the Mueller matrix of the object.
It turns out that in the case of difficult low signal to noise ratio scenes, the polarimetric contrast between two objects of different nature can be extremely less to distinguish. On the other hand, to extract information about the 16 DOFs of Mueller matrix from 16 images makes it difficult to extract relevant information when a priori we don't have information about the scene.
We propose in this thesis to study an imaging method which is adapted to the scene under investigation by the use of specific polarimetric excitations. The scenes under investigation have two separate regions with different polarimetric properties. The specific fully polarized state of illumination is found by the physical criteria for optimizing the polarimetric contrast in two areas with different polarization properties. Taking into account the Shot noise of the detector, this new 2 channel imaging technique named APSCI (Adapted Polarisation State Contrast Imaging), shows a gain in contrast quantified by the Bhattacharyya distance of up to a factor of 10 compared to what is achievable from classical Mueller imaging. On the other hand, it uses the full polarimetric information of the scene to generate a single image at optimum contrast which makes it particularly effective to distinguish two distinct areas with slightly different polarization properties.
After a chapter of introducing various mathematical formalisms of Polarimetric algebra, we propose an chapter on the illustration of different polarimetric properties emphasizing the importance of their effect on the different polarimetric incident states depending on the position of the latter in the Poincaré space. The proposed observations suggest that there exist polarimetric states which are more suited to a scene to maximize the contrast between two areas with different polarization properties. This section raises the issue of finding the polarimetric states to be used to optimize polarimetric contrast of the scene being studied.
The complete analytical solution of this problem is proposed in the next chapter with associated illustrations. The proposed model allows, in addition to a physical interpretation of the imaging problem, to quantify the limits of APSCI method based on evaluated Mueller matrices of the scene.
The next chapter is devoted to the study of the relative performance of this method, when scene is subjected a to optical speckle noise as we use coherent illumination. Numerical simulations show that the performance of this method in terms of polarimetric contrast remains relatively robust and often better than what can be achieved by classical Mueller imaging.
The last chapter is to describe the experimental implementation necessary for the adaptation of a Mueller imager to APSCI imager to obtain a hybrid Mueller-APSCI imager. Unlike Mueller imager where only four known states are used for each of the illumination and detection arm, APSCI requires very precise illumination adapted to the scene and hence challenging. We summarize at the end, the successful implementation of the hybrid imager with high precision polarimetric illumination and detection where we could reach a polarimetric precision of 1% in Stokes vector components when the room temperature is stable under 1C.
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