Université de Montréal - Thèse numérique

Aix-Marseille Université
IUSTI UMR 7343 CNRS
École doctorale 353
Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Modélisations et inversions des diagrammes
de diffusion particulaire enregistrés par un
photodétecteur organique conformable
par
Matthias Sentis
Thèse présentée à la faculté d'Aix-Marseille en vue de l’obtention du grade de
Docteur en Physique-Énergique
Thèse soutenue à Marseille, le 12 Décembre 2014
Composition du jury :
Séverine BARBOSA IUSTI Maître de conférences Examinatrice
Fabien CHAUCHARD-RIOS INDATECH Directeur général Examinateur
Olivier DHEZ ISORG/CEA Directeur R&D Examinateur
Laurent HESPEL ONERA/DOTA Directeur de recherche Examinateur
Fabrice LEMOINE LEMTA Professeur Rapporteur
Fabrice ONOFRI IUSTI Directeur de recherche Directeur de thèse
Claude ROZE CORIA Professeur Rapporteur
Maria-Rosaria VETRANO VKI Maître de conférences Examinatrice

Remerciements
Cette thèse de doctorat est financée par le fond unique interministériel, OSEO et les
collectivités régionales que je tiens à remercier pour leur support durant ces trois ans.
Je remercie les rapporteurs de cette thèse, Fabrice Lemoine et Claude Rozé, ainsi que les autres
membres du jury, Maria Rosaria Vetrano, Fabien Chauchard, Laurent Hespel, Olivier Dhez qui
ont accepté de juger ces travaux
Je tiens particulièrement à remercier Fabrice Onofri qui m'a encadré pendant trois ans, pour ses
nombreuses idées et conseils scientifiques très pertinents, pour sa patience et sa passion pour la
recherche ainsi que pour son honnêteté et son franc-parler. Je remercie également Séverine
Barbosa pour son encadrement et son aide pour la rédaction de cette thèse de doctorat.
J'exprime mes remerciements à Chantal Pelcé qui m'a aidé à corriger ce manuscrit et qui a
toujours été à l'écoute durant ces trois ans.
Je remercie le laboratoire IUSTI qui m'a accueilli dans ses locaux et ses techniciens, ingénieurs et
personnels administratifs qui m'ont beaucoup aidé :
- Joyce Bartolini pour son aide sur les missions et pour ses discutions
- Pascal Campion pour son aide administrative, ses conseils avisés ainsi que sa zénitude.
- Jean-Marie Felio pour les conceptions assistées par ordinateur (Catia) ainsi que pour la
réalisation du masque de filtres optiques optimisé,
- Yann Jobic pour son aide sur les clusters de calcul
- Pierre Lantoine pour le contrôleur pas à pas et sa bonne humeur,
- Delphine Logos pour son aide sur les commandes de matériel
- Stéphane Martinez pour son énorme travail sur l'électronique d'acquisition développé et
pour ses conseils,
- Sady Noél pour son aide dans la conception mécanique du banc goniométrique, sa
motivation et son sourire de deuxième moitié de semaine,
- Julien Ouali-Gaffric (JOG) pour son aide en informatique, m'avoir initié au métal, et sa
patience en colocation,
- Jeanne Pulino pour son aide administrative sur les différents contrats
Un grand merci aux thésards ou autre du laboratoire qui ont été pour moi, un vrai soutien pendant
cette thèse : Anne-Marie l'allemande, Ariane la toulousaine, Benjamin le belge, Cedric la relève,

Claudia la collègue de bureau, Didier l'artiste amateur de bière, Florian l'américain, guillaume
l'handicapé (puisses tu un jour marcher normalement), Jorge le chilien campeur, Lionel le
randonneur, Quentin l'espion et certains que j'ai dû oublié (désolé).
Je remercie également ma famille: mes parents et mes trois frères Thomas, Arnaud et Raphaël qui
ne m'ont pas beaucoup vu durant ces trois ans, pour leur soutien et leur patience.
Un grand merci aux amis qui m'ont soutenu et pris soins de moi alors que je ne le rendais pas
forcément, les gars vous êtes les meilleurs : Benben, Charles, Edouard, Damien, Doudou,
Guillaume, Joris, Laforeuse, Ludo, Lucho, Monique, Momo, Papy, Shorty, petit Vinz. J'espère
sincèrement n'avoir oublié personne.
Pour finir, j'exprime toute ma gratitude à Eugénie qui m'a non seulement supporté malgré mes
changements d'humeur mais qui m'a également soutenu et réconforté pendant ces trois ans. Sans
toi, je n'aurai probablement pas fini, merci...

Table des matières
1 Introduction .......................................................................................................................... 9
1.1 Les écoulements et suspensions particulaires ................................................................ 10
1.2 Les granulomètres optiques ............................................................................................ 11
1.3 Le PAT et les problématiques de la mesure ................................................................... 12
1.4 Les photodétecteurs organiques ..................................................................................... 14
1.5 Organisation du manuscrit de thèse ............................................................................... 18
2 Modèles de diffusion de la lumière par des particules et surfaces spéculaires .... 21
2.1 Modèles électromagnétiques .......................................................................................... 22
2.1.1 Théorie de Lorenz-Mie ............................................................................................... 22
2.1.2 Séries de Debye .......................................................................................................... 26
2.1.3 Méthodes numériques ................................................................................................ 29
2.2 Modèles (ou "approximations") d'optique physique ...................................................... 31
2.2.1 La théorie de la diffraction de Fraunhofer ................................................................. 31
2.2.2 La théorie d'Airy de l'arc-en-ciel ................................................................................ 32
2.2.3 Approximation d'optique physique : diffusion critique par une sphère ..................... 35
2.2.4 Les coefficients de Fresnel ......................................................................................... 39
2.2.5 Approximation d'optique physique : diffusion critique par un sphéroïde .................. 42
2.3 Modèle d'optique géométrique ....................................................................................... 49
2.3.1 Les lois de Snell-Descartes vectorielles ..................................................................... 51
2.3.2 Cas particuliers des lois de Snell-Descartes ............................................................... 51
2.3.3 Calcul de l'angle de diffusion dans le cas d'une sphère .............................................. 54
2.4 Modèle hybride pour la diffusion par une particule ....................................................... 55
2.4.1 Introduction ................................................................................................................ 55
2.4.2 Modèle d'optique géométrique pure ........................................................................... 56
2.4.3 Prise en compte des phénomènes ondulatoires .......................................................... 57
2.4.4 Résultats et comparaisons aux séries de Debye ......................................................... 61
3 Modélisation de la diffusion de la lumière par méthode de Monte-Carlo ............ 67
3.1 La méthode de Monte-Carlo .......................................................................................... 68
3.2 Le générateur de nombres aléatoires de Mersenne-Twister ........................................... 72
3.2.1 Initialisation de la graine ............................................................................................ 72
3.2.2 Pseudo-algorithme ...................................................................................................... 73