Brevet FR2566140A1 — publié le 19851220

DISPOSITIF D'ANALYSE ET DE CORRECTION DE SURFACES D'ONDE EN TEMPS REEL A INTERFEROMETRE A POLARISATION La présente invention concerne d'une façon générale l'analyse et la correction de surfaces d'onde en temps réel et, plus particulièrement, un interféromètre à polarisation servant à la mesure de la distorsion de phase d'un front d'onde. Par analyse de surfaces d'onde, on entend la mesure des écarts de phase de l'onde issue d'un système ou instrument optique par rapport à une surface d'onde de référence qui serait produite par le même système optique supposé parfait et non perturbé par la turbulence atmosphérique. L'onde peut être perturbée par les aberrations de l'instrument (par exemple dans le cas d'un très grand miroir se déformant sous l'effet de diverses contraintes, ou d'un système mosaïque composé de miroirs multiples) ou par les phénomènes liés à la propagation atmosphérique (turbulence, défocalisation thermique). L'intérêt d'une analyse de front d'onde en temps réel est de pouvoir appliquer instantanément une correction à la surface d'onde à l'aide d'un miroir déformable ou plus généralement, d'une optique adaptative, et donc de s'affranchir des perturbations mentionnées ci-dessus. Les systèmes d'analyse et de correction de fronts d'onde en temps réel ont actuellement deux types d'applications nécessitant toutes deux une très haute résolution spatiale (inférieure ou égale à 100 prad: le pointage fin d'un faisceau laser et l'imagerie à très longue distance (astronomie, observation de satellites). Dans ces applications, les pupilles considérées ont une dimension de l'ordre du mètre et l'optique adaptative permet d'atteindre une limite de résolution liée uniquement à la diffraction et non plus aux défauts de phase. Dans le système de pointage de lasers de haute énergie dits à "onde de retour", on utilise un analyseur de surfaces d'onde à partir duquel on positionne un miroir déformable afin d'émettre une 66140 onde conjuguée de l'onde reçue et qui se focalise parfaitement sur la cible. Dans les systèmes optiques d'imagerie à très grande distance, le dispositif d'analyse de surfaces d'onde permet de détecter les distorsions de phase du front d'onde tombant sur la pupille d'entrée du système optique, et un miroir déformable est commandé par le dispositif d'analyse afin de corriger le front d'onde des distorsions détectées. On connaît notamment par le brevet US-A-3923400 des systèmes optiques pour fournir l'image d'un objet à travers l'atmosphère, ces systèmes comprenant un dispositif de détection et de correction de phase en temps réel du front d'onde imagé par ces systèmes optiques, ce dispositif comprenant: des moyens d'interférométrie à cisaillement ou à dédoublement latéral recevant le front d'onde perturbé, déterminant en temps réel les differences de phases relatives entre des zones différentes de ce front d'onde perturbé et produisant des signaux représentatifs desdites différences de phase; des moyens répondant auxdits signaux de différence de phase pour produire simultanément, en parallèle et en temps réel, des signaux représentatifs des corrections de phase à apporter aux différentes zones du front d'onde perturbé pour obtenir un front d'onde corrigé; et des moyens de correction de phase recevant le front d'onde perturbé et répondant auxdits signaux de correction de phase pour modifier en temps réel les différences de phase entre les différentes zones du front d'onde perturbé et changer la forme de ce front d'onde perturbé pour produire un front d'onde corrigé. Le r6le de l'interféromètre à dédoublement latéral est de dédoubler le front d'onde pour mesurer la différence de phase ATP entre les deux zones du front d'onde qui se recouvrent. Pour mesurer cette différence de phase, à la sortie d'un détecteur placé dans le plan d'interférence, on crée un signal d'interférence modulé en déplaçant l'un des éléments de l'interféromètre à dédoublement latéral. -3 Dans le brevet précité, l'interféromètre à dédoublement laréral est forné par un réseau optique créant deux cones de diffraction dans deux directions angulaires légèrement divergentes avec une région commune de recouvrement. Le front d'onde se trouve ainsi dédoublé et il est possible de mesurer la différence de phase entre deux zones voisines du front d'onde. Ceci s'effectue en modulant la figure d'interférence et en détectant la phase relative de cette figure d'interférence en différents points de celle-ci. L'emploi dans le brevet précité d'un interféromètre à cisaillement latéral à réseaux de diffraction, entraîne des difficultés de réglage de l'interféromètre à cause de l'existence de différents ordres de diffraction dans un réseau et de la nécessité de n'avoir de recouvrement qu'entre deux ordres seulement, 0 et 1 ou -l et 0. Les réseaux de diffraction dans l'art antérieur sont déplacés soit en translation, soit en rotation (Cf. "Radial Grating Shear Heterodyne Interperometer" par Chris L. Koliopoulos, Applied Optics, ler mai 1980, Vol. 19, N' 9, pages 1523 et sq.) pour moduler la figure d'interférence. L'interférence des ordres supérieurs donne lieu à des modulations de fréquences multiples de la fréquence de modulation de base qu'il faut filtrer. En un point du plan d'interférence, on observe après filtrage l'interférence entre les points M(x) et M(x+Ax) et entre M(x) et M(x-Ax). Un calcul exact montre que les phases de ces deux modulations sont identiques si les déphasages P(x) - P(x+Ax) et W(x-Ax) - @(x) sont identiques, c'est-à-dire si l'onde est localement plane, ce qui est une restriction a priori g8nante. Conformément à l'invention, l'interféromètre à dédoublement latéral est un interféromètre à polarisation. Les interféromètres à polarisation sont des dispositifs utilisés pour l'observation des milieux transparents hétérogènes. Leurs applications principales sont la microscopie interférentielle et les techniques de visualisation d'écoulements en soufflerie (strioscopie interférentielle). Ce type d'interféromètre est essentiellement constitué d'un élément optique biréfringent destiné à dédoubler la surface d'onde en deux composantes polarisées à angle droit; les interférences -4 - entre ces deux ondes sont mises en évidence grâce à un polariseur et un analyseur disposés de part et d'autre du système biréfringent et convenablement orientés par rapport à ses axes optiques. Il s'agit donc d'un interféromètre différentiel, au même titre que l'interféromètre à cisaillement latéral utilisé dans le brevet précité. La différence entre les deux interféromètres tenant au fait que les interférences sont-observées en lumière polarisée et non en lumière naturelle. Par rapport au dispositif du brevet précité, l'interféromètre selon l'invention présente l'avantage d'un encombrement moindre, et d'une plus grande simplicité de construction mais, par contre, il ne permet pas d'ajuster à volonté le décalage entre les deux surfaces d'ondes. La sensibilité du dispositif ne peut donc être modifiée que par l'interchangeabilité de l'élément biréfringent. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexes dans lesquels: - la Fig. 1 est un schéma optique d'un dispositif d'analyse et de correction de surface d'onde de l'art antérieur; - la Fig. 2a représente un interféromètre à polarisation de l'invention; - la Fig. 2b représente un interféromètre à polarisation de l'invention, placé au foyer d'un télescope; - la Fig. 3 représente un système de modulation de l'interféromètre à un seul miroir vibrant; - la Fig. 4 représente une variante du système de modulation des faisceaux sortants de l'interféromètre; - la Fig. 5 représente un exemple de la position des actuateurs dans la pupille; et - la Fig. 6 représente un exemple correspondant à la Fig. 5 de la position des photodétecteurs à la fois pour le dédoublement en x et pour le dédoublement en y. En se référant à la Fig. 1 qui rappelle l'art antérieur, on a représenté un objectif 10 d'un système optique télescopique, objectif qui fournit une image non corrigée d'un objet distant dans le plan focal 11 du système optique. Cette image peut être gravement distordue à cause de basculements et de décalages de 6640 -5- phase aléatoires du front d'onde produits par la turbulence de l'atmosphère ou les aberrations du système optique. Dans la Fig. 1, le télescope est utilisé comme instrument optique à réfraction mais bien entendu, l'art antérieur s'applique également aux systèmes optiques télescopiques à réflexion. Une lentille de champ 12 et une lentille relais 13 sont associées à l'objectif 10 pour produire une image du front d'onde reçu par la pupille d'entrée sur un dispositif correcteur de phase 14 tel qu'un miroir déformable. L'image du front d'onde produite sur le dispositif correcteur de phase 14 permet à ce dernier de modifier sélectivement la phase des éléments de surface du front d'onde. Le front d'onde est réfléchi sur la surface du miroir déformable 14 vers un séparateur de faisceau 15 qui sépare le faisceau en un premier faisceau qui est focalisé par une lentille 16 sur un détecteur d'image 17 et en un second faisceau qui est focalisé par une lentille 18 sur un détecteur de distorsion de phase 20. Ce détecteur de distorsion de phase 20 commande le dispositif correcteur de phase 14 par l'intermédiaire du processeur de données 19. Le dispositif correcteur de phase 14 peut être un miroir piézoélectrique déformable. Le dispositif de détection de distorsion de phase est un interféromètre à dédoublement qui, dans le brevet américain précité, est un interféromètre à réseaux de diffraction. L'invention concerne un dispositif d'analyse et de correction de surfaces d'onde dans lequel l'interféromètre utilisé comme détecteur de distorsion de phase 20 est -un interféromètre à polarisation. En se référant à la Fig. 2a, l'interféromètre à polarisation est un biprisme biréfringent de Wollaston 40; il est formé par l'assemblage de deux prismes en quartz 21 et 22 d'angle O, taillés parallèlement à l'axe cristallographique et de manière que les axes respectifs soient parallèles et perpendiculaires aux arêtes des dièdres. Les deux prismes sont collés tête-bêche, l'ensemble constituant un système optique à faces parallèles. Dans la pratique, on utilise un biprisme, en interposant une lame demi-onde -6-- entre les deux prismes dont les axes sont alors orientés parallèles entre eux; ce système permet d'accroître l'étendue angulaire du champ visualisé. La propriété essentielle du dispositif est de provoquer, à partir de la face de collage, un dédoublement angulaire du rayon lumineux incident, chaque rayon émis transportant respectivement une vibration ordinaire V1 contenue dans le plan d'incidence et une vibration V2 contenue dans le plan perpendiculaire au plan d'incidence. L'angle c est proportionnel à la biréfringence (n - n) du cristal et à tg O = 2 (n -n)tg 0 eno (pour le quartz n - n = 0,0091). D'autre part, le déphasage introduit entre les deux vibrations V1, V2 dépend de la position du point d'incidence I sur la face de collage: au point médian du biprisme, les épaisseurs traversées dans les deux prismes sont égales, les déphasages introduits se compensent et le déphasage résultant est nul. Par contre, en un point I' situé à la distance x de l'axe médian, la différence de phase entre les deux vibrations est: 0 = 2k (n - n) x tg (k= 2w/X) e no Les deux vibrations transmises étant orthogonales, les interférences ne peuvent être observées qu'en lumière polarisée; on isole donc dans le faisceau incident au moyen du polariseur 23 une vibration lumineuse orientée à 45 des axes cristallographiques du biprisme de façon que lès composantes V1 et V2 aient des amplitudes égales. Cette condition est nécessaire pour obtenir le contraste maximal des franges d'interférences. Les franges peuvent finalement être mises en évidence grâce à un analyseur 24 placé en sortie du biprisme et orienté à 90 du plan de polarisation incident. En accomodant sur le biprisme, on peut alors observer un réseau de franges caractéristiques localisé sur la surface de collage. La Fig. 2b montre un tel interféromètre placé au foyer d'un télescope pour analyser une surface d'onde E. Tous les rayons lumineux issus de la surface d'onde Z traversent le biprisme en un point unique localisé sur la surface de collage de telle sorte s 66140 7- qu'en sortie du dispositif, on obtient deux ondes Z et Z o e polarisées à angle droit et dédoublées angulairement de l'angle ú. Si la surface d'onde est exempte de déformations et le biprisme positionné à la différence de marche nulle, les deux vibrations V1 et V2 sont en phase et l'extinction est rétablie par l'analyseur 24; le champ pupillaire visualisé apparait alors uniformément obscur. Si par contre la surface d'onde est déformée, des écarts différentiels Ad apparaissent sur la différence de marche entre les deux ondes interférentes E Z, en raison de o e leur dédoublement angulaire. Ces écarts se traduisent par un rétablissement partiel de la lumière, s'ils sont inférieurs à une longueur d'onde, ou par une figure de franges d'interférences caractéristiques du gradient de la déformation selon c si les défauts sont importants. On va maintenant montrer comment sont réalisés le dédoublement simultané de la surface d'onde selon deux directions orthogonales et la modulation du système interférentiel nécessaire à la mesure instantanée des phases, ces deux dispositions étant indispensables pour une restitution en temps réel de la surface d'onde globale. En se référant à la Fig. 3, le faisceau issu de l'objectif 10 du télescope est séparé en deux par une lame semi-transparente 25 de façon à venir se focaliser à la fois sur le Wollaston 26 à dédoublement horizontal Ax et le Wollaston 27 à dédoublement vertical Ay. Pour assurer la modulation interférentielle, il est nécessaire d'imprimer un léger déplacement périodique de l'image focalisée au niveau du biprisme, dans le sens du dédoublement, c'est-à-dire horizontal pour le Wollaston 26 et vertical pour le Wollaston 27. Pour obtenir ces mouvements, on utilise le miroir vibrant 28, la direction du déplacement 30 étant orientée à 450 de la direction du dédoublement sur chacun des biprismes. Avec un seul mouvement de vibration, on obtient ainsi les deux composantes de déplacement nécessaires selon x et y. En se référant à la Fig. 4, le faisceau venant de la pupille du télescope 10 traverse un bloc optique constitué d'un cube semi-transparent 31 sur deux faces duquel sont collés un prisme à 25661.40 - 8 - réflexion totale 32 et un prisme en toit 33. En sortie du dispositif, on dispose de deux faisceaux 35 et 36 dont les orientations pupillaires sont à 90 l'une de l'autre. En recevant les images focalisées sur un biprisme unique 34, dont l'orientation est à 45 du plan de symétrie, on obtient le même déphasage sur les deux faisceaux, mais pour des images de pupille orientées à angle droit. Il suffit alors d'imprimer un déplacement vibratoire du biprisme selon x pour obtenir le décalage de la surface d'onde selon deux axes perpendiculaires. Au lieu de déplacer le biprisme, on peut aussi utiliser une solution à miroir vibrant comme dans le système de la Fig. 3. Enfin, il peut être utile de disposer l'ensemble du bloc optique en faisceau parallèle pour éviter l'effet de l'arête du prisme en toit sur les faisceaux focalisés. Ceci peut être obtenu facilement en véhiculant l'image focale au moyen de deux objectifs placés de part et d'autre du système. Sur les Figs. 3 et 4, les polariseurs et analyseurs n'ont pas été représentés mais il est bien entendu que chaque biprisme est compris entre un polariseur et un analyseur. La Fig. 5 représente la disposition des 21 actuateurs 51 du miroir déformable. La Fig. 6 représente la disposition des 16 photodétecteurs 52 de mesure du déphasage en x et la disposition identique des 16 photodétecteurs 52 de mesure du déphasage en y. Le processeur de données 19 calcule les valeurs des tensions d'action à partir des 2x16 valeurs des déphasages en x et en y. Ce calcul est effectué comme dans l'art antérieur, et le processeur 19 ne fait pas partie de la présente invention. -9 REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Dans un système optique d'analyse et de correction de fronts d'onde comprenant: un miroir déformable de correction de fronts d'onde; et un système d'analyse -et de détection de distorsion de phase, un interféromètre à dédoublement latéral constituant le système d'analyse, recevant le front d'onde à analyser et le dédoublant et déduisant des deux fronts d'onde voisins obtenus des signaux pour commander la déformation dudit miroir déformable; caractérisé en ce que cet interféromètre à dédoublement latéral est un interféromètre à polarisation constitué d'un biprisme (40) biréfringent de Wollaston (21, 22) d'angle 0, les deux prismes étant montés tête-bêche et taillés parallèlement à. l'axe cristallographique de manière que les axes respectifs soient parallèles et perpendiculaires aux arêtes des prismes; un polariseur (23) et un analyseur (24) encadrant ledit biprisme; et un élément optique vibrant (28) sur le chemin dudit biprisme. 2 - Interféromètre à polarisation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux biprismes biréfringents de Wollaston, un séparateur séparant le faisceau incident en deux faisceaux sortants tombant respectivement sur les deux biprismes de façon que ces derniers dédoublent le front d'onde incident en deux fronts d'onde respectivement le long de deux directions rectangulaires et un miroir vibrant faisant vibrer le faisceau incident le long d'une direction à 45 par rapport aux deux dites directions rectangulaires. 3 - Interféromètre à polarisation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le biprisme biréfringent de Wollaston comprend une lame demi-onde inserrée entre les deux prismes constituants. 4 Interféromètre à polarisation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en amont du prisme - 10 - biréfringent de Wollaston, un bloc optique composé d'un cube semitransparent, d'un prisme à réflexion totale et d'un prisme en toit qui séparent le faisceau entrant en deux faisceaux parallèles ayant des orientations pupillaires rectangulaires.