Trois cours de 27 h chacun sont proposés et chaque élève doit en suivre deux parmi ces trois.
Le choix des cours de Tronc Commun se fait conformément au tableau suivant :
objectifs: Donner à l'étudiant inscrit à ce Master Recherche les bases nécessaires à l'acquisition et au traitement des différentes informations véhiculées par des ondes lumineuses (images, puissance, phase, spectre).
Contenu: Le cours débute par une présentation générale des différentes sources de bruit susceptibles d'affecter la détection d'un flux lumineux (bruit quantique, bruit thermique, bruit intrinsèque du photodétecteur, bruit d'intensité de la source). Après quelques rappels sur l'interférométrie (interféromètre à deux ondes, interféromètre à ondes multiples), on s'intéresse à l'ensemble des méthodes modernes permettant de réaliser des mesures de phase à haute résolution (méthodes homodyne active, homodyne passive, hétérodyne, pseudo-hétérodyne et PGC), puis on utilise la théorie de la diffraction (approximations de Fresnel et de Fraunhofer) pour décrire le mécanisme de formation des images en éclairage cohérent et incohérent. On aborde dans ce cadre les problèmes particuliers posés par la synthèse d'ouverture optique. On introduit alors les notions d'écart aberrant (notamment dans le cas d'un défaut de mise au point) ainsi que la décomposition de cet écart aberrant sur la base des polynômes de Zernike. On s'intéresse alors à la transmission aérienne d'un signal optique (propagation d'un faisceau gaussien, transmission atmosphérique) et aux dégradations induites par la turbulence atmosphérique. Le cours se termine par quelques notions de photométrie et de mesure de la couleur, de manière à familiariser l'étudiant avec la conception des détecteurs hyperspectraux et des spectro-imageurs).
Compétences acquises: Mesure de phase, fonction de transfert d'un instrument d'optique, écart aberrant, détection de flux en régimes quantique et thermique, synthèse d'ouverture, transmission et turbulence atmosphériques
Objectifs: Présenter les bases de la théorie de la diffraction, les différences fondamentales entre problème direct et inverse. Sensibiliser aux applications en conception de composants pour nanotechnologies, grâce au contrôle de la propagation, et aux applications du sondage électromagnétique. On insistera ici sur les problèmes de mesure et sur la connexion avec le traitement du signal/image.
Contenu: Le cours débute par des rappels sur les équations de Maxwell et les fonctions spéciales. Après quelques généralités sur les problèmes directs de diffraction en régime harmonique, on introduit une méthode rigoureuse de résolution fondée sur le formalisme intégral ainsi que la notion de matrice de diffraction. Nous présentons ensuite des exemples de méthodes approchées, adaptées aux basses fréquences ou au faibles contrastes d'indice. Dans ce cadre simplifié, on aborde l'étude des problèmes de diffraction inverse par la description d'une technique de tomographie. Le caractère non-linéaire et mal posé du problème inverse est mis en évidence par des exemples numériques. Pour traiter ces difficultés, on fait appel aux méthodes d'optimisation basées sur les algorithmes de gradient et sur les techniques de régularisation. Des exemples d'applications au sondage de l'environnement et en contrôle non destructif sont présentés.
Compétences acquises: Bases de l'électromagnétisme utiles pour les cours de l'option Optique et pour l'imagerie radar et électromagnétique.
Objectifs: Ce cours introductif a pour objectif de présenter les principaux concepts et techniques de traitement d'images. Plusieurs objectifs sont visés. Pour ceux qui poursuivront en option " traitement d'images " :
- fournir les fondements sur lesquels les cours d'option s'appuieront,
- présenter, à partir de quelques exemples, les différentes formes de traitement d'images qui sont abordées en option afin de permettre à l'étudiant de structurer ce domaine dont ce sera le plus souvent la première expérience.
Pour ceux qui poursuivront en option "Optique et Électromagnétisme" :
- permettre à un opticien de connaître les concepts de bases pour définir des systèmes d'imagerie et/ou pour collaborer efficacement avec un traiteur d'images.
Contenu: Le cours débute par des précisions sur la généralisation des concepts essentiels de traitement du signal aux images (représentation sur les bases, échantillonnage, etc.). On définie ensuite, à partir de quelques exemples, les différentes formes de traitement d'images. On étudie ensuite les modèles stochastiques pour la description des bruits dans les images (bruit de photon, bruit de speckle, bruit de quantification, etc.) ainsi que les fondements des modèles mathématiques utiles pour le traitement d images perturbées par de telles fluctuations. Ces notions sont ensuite appliquées à la restauration d'images. Elles sont illustrées dans le cas de la correction de la turbulence atmosphérique et sont discutées en comparaison avec les solutions de l'optique adaptative. Les éléments de base de la théorie de la décision pour le traitement du signal sont ensuite exposés et appliqués à des problèmes standard de traitement d'images. En particulier, les applications à la classification en imagerie seront discutées en détail. Enfin, une présentation de la problématique de la segmentation est réalisée en insistant ici aussi, à partir d 'exemple de techniques classiques (détection de contour, technique de fusion/division, d'agrégation de région, etc.) sur les difficultés généralement rencontrées et que l'on cherche à contourner par les techniques qui ont été développées récemment et qui seront approfondies en axe pour certains.
Compétences acquises: Fondement du traitement d'images - Techniques stochastiques pour la description des bruits et des fluctuations dans les images - Présentation des techniques de base de la restauration et la segmentation ainsi que de leurs limites.
Cette Option doit donner aux futurs chercheurs évoluant dans le domaine de l'Optique et de l'Electromagnétisme des connaissances dans 4 thématiques fondamentales, à savoir :
l'Optique Quantique et Non-Linéaire, où sont abordés à la fois les phénomènes résultant d'une forte amplitude du champ électromagnétique et ceux découlant de son confinement ou de sa quantification (micro-cavités, détection de photons uniques),
l'interaction de la lumière avec des structures périodiques (Réseaux) ou a-périodiques, ce dernier point permettant notamment d'aborder le problème de la diffusion d'une onde électromagnétique par une Surface Rugueuse ou un volume hétérogène,
le Filtrage Optique Interférentiel, où seront à la fois traités la conception théorique d'empilements complexes (méthodes des aiguilles, algorithme génétique,...), la caractérisation optique et non optique de ces composants (propriétés spectrales, absorption, diffusion, tenue au flux) et l'étude des performances spécifiques de certains cas d'application récents (filtrage en bande étroite, filtres accordables, filtres inverses,...),
les Cristaux Photoniques, où seront présentées et analysées les propriétés entièrement nouvelles de structures optiques périodiques à 2 ou 3 dimensions, et l'Optique Planaire qui permet de transposer dans le domaine guidé un ensemble de fonctions de propagation et de filtrage utilisées dans la réalisation de systèmes optiques modernes.
Cet enseignement s'appuie essentiellement sur les compétences regroupées à l'intérieur de l'Institut Fresnel, UMR 6133 (Sciences de l'Optique, de l'Electromagnétisme et de l'Image).
Objectifs: Le but de cet enseignement est de fournir les concepts de base sur les phénomènes non-linéaires en optique avec les applications actuelles les plus modernes tant en recherche fondamentale qu'en applications industrielles
Contenu: Ce cours comprend une présentation générale des phénomènes d'Optique Non-Linéaire sur une base phénoménologique : Polarisabilité non-linéaire et introduction des approches classique et quantique. Une étude détaillée des phénomènes d'ordre 2 en insistant particulièrement sur les effets paramétriques conduisant aux amplificateurs et oscillateurs paramétriques. La conjugaison de phase sert de support aux effets d'ordre 3 dans les matériaux amorphes. Enfin les phénomènes non-linéaires en optique guidée sont traités La compression et dilation d'impulsions brèves ainsi que l'influence des non-linéarités d'une fibre sur la transmission des signaux sur de longues distances est abordée. L'introduction de la notion d'onde soliton est vue à cette occasion .
Compétences acquises: Influence des non linéarités des matériaux sur la propagation des ondes optiques. Réalisation d'amplificateurs et d'oscillateurs optiques. Traitement d'informations sous forme impulsionnelle. Interaction lumière matière en milieu cristallin ou amorphe.
Objectifs: Ce cours introductif à la description quantique du champ électromagnétique a pour objectifs de présenter la notion d'état quantique de la lumière et de donner quelques illustrations des propriétés non classiques de la lumière dans le domaine de l'information quantique.
Contenu: Apres avoir présenté la quantification du champ électromagnétique sur une base d'ondes planes, le cours passe en revue les différents états possibles du champ (états nombrés, états cohérents) et présente les propriétés non classiques des états comprimés du champ.
Le cours se poursuit en abordant l'optique en régime de comptage de photon et la notion de bruit et de corrélations spatio-temporelles qui lui sont associées.
Finalement, on présente en détail le protocole de la cryptographie quantique et sa mise en oeuvre expérimentale dans une liaison sécurisée réelle.
Compétences acquises: Quantification du champ électromagnétique. Introduction et justification de la notion de photon. Introduction aux états comprimés du champ. Optique en régime de comptage de photon. Notion d'information quantique.
Objectifs: Cet enseignement a pour but d'introduire les méthodes de l'optique électromagnétique pour la description de la diffraction par les réseaux ainsi que leurs applications.
Contenu: Après un rappel des résultats de la diffraction des ondes électromagnétiques (UE2), on présentera, pour le problème direct, la méthode différentielle adaptée aux surfaces périodiques et des exemples d'application. On introduira de manière phénoménologique les résonances électromagnétiques (modes à fuites) en relation avec les symétries du coupleur à réseau ainsi que le phénomène d'absorption totale.
Compétences acquises: Bases d'une étude rigoureuse de la diffraction par des réseaux dans le domaine de résonance. Les grands principes (à applications plus vastes) de l'expérimentation numérique. Les applications actuelles des réseaux.
Objectifs: L'objectif de ce cours est d'introduire les notions utiles à l'étude des phénomènes de diffusion électromagnétique par des surfaces rugueuses ou par des milieux hétérogènes. Ces phénomènes, dont les applications concernent à la fois le domaine optique (pour la caractérisation des surfaces, pour l'imagerie en milieu diffus ) et le domaine des radiofréquences (pour l'analyse des échos radars pour l'océanographie spatiale, l'altimétrie, la détection d'objets enfouis, la furtivité ) sont étudiés à l'aide de théories approchées ou rigoureuses adaptées aux différents cas.
Contenu: Le cours s'appuie sur les bases théoriques acquises dans le cours de diffraction électromagnétique du tronc commun et sur la partie du cours portant sur les réseaux de diffraction. Les méthodes approchées ainsi que les méthodes rigoureuses sont développées. Les phénomènes particuliers de rétrodiffusion exaltée, de dépolarisation, de localisation sont analysés.
Compétences acquises: Méthodes de calcul de la diffusion basées sur les petites perturbations et sur l'approximation du plan tangent, méthodes basées sur le formalisme intégral ou différentiel. Applications.
Objectifs: Ce cours a pour objectif de conférer à l'étudiant une expertise fondamentale et appliquée qui lui permettra de traiter avec recul l'ensemble des problèmes de filtrage optique omniprésents dans tout système moderne. Cette expertise inclut les problèmes de conception (problèmes inverses, filtres accordables ), de caractérisation (diffusion lumineuse, microscopie photo-thermique, endommagement laser, AFM/PSTM) et de fabrication (technologies classiques ou dures).
Contenu: En introduction, le cours montre comment les systèmes interférentiels permettent de modifier à volonté l'ensemble des paramètres électromagnétiques régissant les propriétés de la lumière. Il se poursuit via une présentation des méthodes de conception de filtres multicouches (polariseurs, séparateurs dichroïques, filtres bande étroite, absorbeurs achromatiques ) pour l'optique libre et modale, aux basses et hautes fréquences spatiales (ondes planes et évanescentes). On aborde ensuite les problèmes de fabrication (évaporation assistée sous vide, double pulvérisation par faisceaux d'ions ) et de contrôle de process in situ, avec des notions sur les filtres actifs.
Les techniques de caractérisation sont introduites après une modélisation détaillée des phénomènes de polarisation, de thermique photo-induite, d'endommagement laser et de diffusion lumineuse. Ces principes sont appliqués à la mise en oeuvre d'appareillages complexes donnant accès à la dispersion spectrale de l'indice de réfraction (ellipsométrie), à la topographie en surface et volume des composants (diffusion lumineuse), ainsi qu'aux faibles valeurs d'indice imaginaire (déflexion photo-thermique) et aux nanocentres précurseurs des phénomènes de claquage sous flux intense. La conclusion porte sur le contrôle de l'émission spontanée à l'aide des mêmes composants multicouches (microcavités). L'introduction de la microscopie à force atomique (AFM) et tunnel optique (PSTM) complète l'exposé grâce à une analyse multi-échelle.
Compétences acquises: Conception et synthèse de filtres, technologies de fabrication sous vide, ellipsométrie, thermique photo-induite et endommagement laser, diffusion électromagnétique et microcavités, microscopie à champ proche.
Objectifs: L'objectif de ce cours est d'introduire les notions essentielles sur les cristaux photoniques. Ces structures périodiques ont la propriété remarquable de posséder des "gaps", qui sont des bandes de fréquences dans lesquelles la propagation est interdite. Les multiples possibilités de contrôle de la propagation de la lumière mettent les cristaux photoniques en bonne place dans la conception des composants optiques de pointe pour les communications optiques, la réalisation de sources de lumière, etc.
Contenu: Les concepts de base liés à l'étude des cristaux photoniques (modes de Bloch, zone de Brillouin, courbes de dispersion, matrice de transfert, gaps) sont introduits à partir de l'étude de cristaux monodimensionnels (empilements de couches), puis bidimensionnels.
Dans le cas monodimensionnel, on s'appuie sur une méthode analytique matricielle.
Dans le cas bidimensionnel, les propriétés des cristaux peuvent être déduites de l'étude des matrices de transfert obtenues au moyen de la théorie des réseaux.
On déduit ensuite des courbes de dispersion les propriétés fondamentales concernant la propagation de l'énergie dans les cristaux photoniques, et on applique ces résultats à l'étude des phénomènes d'ultraréfraction, de sélection de modes de rayonnement et au contrôle de l'émission des sources.
Objectifs et Contenu: La propagation dans les guides plans en couches uniques homogènes ou à gradient d'indice, en multicouches ou en couches anisotropes est décrite pour servir de base théorique à l'optique intégrée. Différentes approches pour la modélisation de la propagation et la distribution des champs dans le coupleur à prisme avec des faisceaux gaussiens sont ensuite présentées à titre d'exemple, afin d'illustrer une démarche de recherche. La méthodes des perturbations, la théorie des modes couplés sont également présentées en tant qu'outils pour la modélisation de phénomènes intervenant en optique guidée comme le coupleur directionnel ou les effets électro-optique.
Compétences acquises: Exploitation des connaissances en théorie électromagnétique ; comportement de la lumière dans des guides d'ondes, modélisation et compréhension du coupleur à prisme ; méthodes des perturbations et théorie des modes couplés ; coupleur directionnel et effet électro-optique en optique guidée. Base permettant d'étudier les phénomènes d'interaction de la lumière avec des structures guidantes.
Cette spécialité a pour vocation de former de futurs chercheurs dans le domaine du traitement d'images et de la physique de l'image. Le caractère "Sciences pour l'Ingénieur" accompagné d'une solide formation théorique permet de répondre aux besoins dans ce domaine des organismes tant publics qu'industriels. L'enseignement dispensé bénéficie du contexte local (CNRS LAS, INSERM, ENSPM et laboratoires des Universités) actif dans le domaine du traitement des images ainsi que de ses applications.
Objectifs: Appréhender les phénomènes physiques qui sous-tendent les principaux systèmes d'acquisition d'images dans le domaine médical et biologique.
Contenu: Description des systèmes d'acquisition d'images (optique visible, IR, UV rayon X, Acquisition stéréoscopique, radar, méthodes acoustiques) en s'appuyant sur différents exemples d'applications en instrumentation (médical, astronomie, optronique, etc.).
Compétences acquises: A travers la connaissance des mécanismes d'acquisition d'images biologiques et médicales, voir leurs richesses et les limites de ces systèmes.
Objectifs: Présenter les notions de base sur la nature, la structure et le codage des images par rapport à leur source
Contenu: Modélisation physique-mathématique du processus d'acquisition pour des configurations variées : Imagerie optique, tomographie X, SAR. Etude des techniques de traitement d'images appliquées (corrections photométriques et géométriques - restitution du relief - Photoclinométrie).
Compétences acquises: Connaissances de base nécessaires à la modélisation d'un dispositif d'acquisition d'image
Objectifs: Exposer, et illustrer par des exemples, les différentes approches d'analyse d'une image en termes de définition, quantification et classification des objets qu'elle contient
Contenu: Analyse d'Images : Topologie discrète, Morphologie mathématique, Segmentation, Mesures (morphologie, texture, topographie, colorimétrie, stéréologie) Reconnaissance des formes (réseaux de neurones, reconnaissance syntaxique, classification) Codage et protection d'images.
Compétences acquises: Capacité à évaluer une application d'analyse d'image, à choisir et appliquer les méthodes adéquates pour obtenir les mesures ou la reconnaissance désirée
Objectifs: L'objectif principal de ce cours est l'enseignement de concepts récents du traitement du signal et de l'image pour des problèmes inverses
Contenu: Dans de nombreux problèmes physiques, on dispose d'une observation d'une grandeur ayant été distordue ou transformée et le but du traitement consiste à supprimer la distorsion ou à inverser la transformation pour retrouver la grandeur originale. La détermination de cette grandeur correspond à un problème inverse. Les méthodes usuelles de résolution des problèmes inverses développées en traitement d'images et en particulier dans le cas de la déconvolution sont présentées. Ces méthodes utilisent l'opérateur inverse ou l'opérateur inverse régularisé, le filtrage multidimensionnel optimal, les méthodes haute résolution, les méthodes statistiques d'ordre supérieur, les méthodes de maximisation d'entropie, les méthodes itératives, etc
Compétences acquises: Techniques d'inversion multidimensionnelles et algorithmes de traitements adaptatifs pour les images et/ou les signaux avec prise en compte de l'évolution spatio-temporelle des phénomènes physiques observés
Objectifs: Fournir les éléments essentiels sur les techniques d'analyse multirésolution qui constituent souvent un outil de prédilection en traitement d 'images
Contenu: Introduction aux principes généraux de l'analyse multi-échelle. Etude de l'analyse de Gabor et de l'analyse par ondelettes et approche différentielle de l'analyse multi-échelle. Applications au ré-échantillonnage, au filtrage et à la restitution des images. Introduction aux techniques de segmentation d'images ou d'objet dans les images (approches de division/fusion, applications des techniques de champs de Markov, techniques de contours actifs).
Compétences acquises: Algorithmique de base applicable à l'analyse multirésolution
Objectifs: Fournir aux futurs doctorants les bases modernes des techniques statistiques de segmentation d'images ou d'objet dans les images (algorithme de détection de rupture de statistiques, applications des techniques de champs de Markov, techniques de contours actifs statistiques)
Contenu: Après une introduction des techniques classiques d'inférences statistiques (méthodes du maximum de vraisemblance, famille exponentielle, borne d'estimation, estimation robuste), on présente les techniques de détection de rupture adaptées à différents types de bruit présent dans les images. Ces notions sont appliquées à la détection de bord ou de défauts dans les images. Les techniques de contours actifs statistiques sont ensuite présentées ainsi que les techniques de champ de Markov pour la segmentation d'images. Enfin les bases des méthodes d'estimation de l'ordre des modèles sont introduites et appliquées au problème de la segmentation des images bruitées par contour et grille active.
Compétences acquises: Techniques statistiques de segmentation d'images adaptées aux images bruitées.
Les objectifs pédagogiques visent à fournir aux étudiants une solide formation dans le domaine de l'Optique, de l'Electromagnétisme et du Traitement des Images. Une des originalités de cette formation consiste à associer deux de ces trois disciplines pour construire une approche globalement plus riche de chacune d'entre elles. Ces objectifs s'appuient sur une formation animée par une équipe pédagogique issue de laboratoires de recherche de tout premier plan. En particulier, dans chaque domaine scientifique, les sujets sont présentés par des spécialistes reconnus dans leur discipline, dont certains au meilleur niveau international.
Au cours de ce Master Recherche, les étudiants vont recevoir une formation solide dans les domaines de l'Optique, de l'Electromagnétisme et/ou du Traitement des Images. Les savoirs accumulés seront multiples :
Une attention particulière est apportée à bien montrer les complémentarités et les interrelations entre optique, électromagnétisme et traitement des images. C'est un point original de ce master que de positionner la formation à l'interface entre deux de ses trois domaines. Cette approche repose sur une analyse des besoins de la recherche et de l'industrie que la dichotomie standard des formations académiques ne permet pas toujours de satisfaire.
Cette formation permet à l'étudiant soit de poursuivre en doctorat, soit de rejoindre directement le milieu industriel pour exercer une activité de Recherche et Développement. A l'issue de sa thèse, ou dans un degré moindre directement après le Master recherche, il aura acquis les compétences nécessaires pour exercer en tant que chercheur et/ou ingénieur de recherche dans des secteurs de haute technologie.
Cette formation permet à l'étudiant soit de poursuivre en Doctorat, soit de rejoindre directement le milieu industriel pour exercer une activité de Recherche et Développement. A l'issue de sa Thèse, ou dans un degré moindre directement après le Master Recherche, il aura acquis les compétences nécessaires pour exercer en tant que chercheur et/ou ingénieur de recherche dans des secteurs de haute technologie.
Ce Master Recherche a pour vocation de former de futurs chercheurs et ingénieurs de recherche dans des domaines de haute technologie. Ces chercheurs et ces ingénieurs seront aptes à développer une activité de recherche ou d'ingénierie dans les secteurs d'activité qui relèvent de l'électronique au sens large, et plus précisément, de l'optique et de la photonique, de l'électromagnétisme, de la télédétection, du traitement d'images, des télécommunications, de la vision industrielle et de l'instrumentation. En effet, ce Master Recherche est fortement lié au domaine de la Recherche et du Développement (R&D) du secteur industriel ainsi qu'aux grands organismes de recherche.
Les débouchés attendus de la formation concernent la Recherche Publique et la Recherche privée en tant qu'ingénieur de recherche et développement.
Dans le domaine de l'Enseignement Supérieur, les matières dispensées conduisent naturellement à des candidatures potentielles en 61ème et 63ème section et en 30ème section. Dans le cadre du CNRS, les spécialités de ce Master Recherche relèvent des sections 07 et 08 du Comité National auxquelles appartiennent la quasi-totalité des laboratoires associés à cette Formation Doctorale. Les départements concernés sont Les Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication et Les Sciences de l'Ingénieur.
En ce qui concerne les débouchés dans le domaine industriel, il est à signaler que les grandes entreprises ou groupes industriels (THALES, ALCATEL, EADS, etc ...) et les grands organismes (CNES, ONERA, France Télécom R&D, CEA, etc ...) ont accueilli et continueront à accueillir des étudiants en thèse et en embauche définitive. Enfin d'autres étudiants, en nombre plus réduit, ont choisi de créer leur propre entreprise à la suite de leur doctorat. En effet, comme elle concerne des domaines qui possèdent de nombreuses applications, la formation de ce Master Recherche constitue une bonne préparation à une insertion des étudiants dans le milieu de la recherche industrielle à l'issue de leur thèse ou même à l'issue de ce seul Master Recherche pour ceux qui ne souhaitent pas poursuivre. Les besoins actuels du marché dans les spécialités de l'Optique et du Traitement des Images permettent d'envisager raisonnablement des débouchés en nombre significatif comme cela a été le cas ces dernières années.