Brevet FR2665955A1 — publié le 19920221

Analyseur opto electronique de surfaces d'onde à mosaïque de micro-lentilles La presente invention concerne un dispositif optique analyseur de surfaces d'onde permettant d'analyser les perturbations d'une telle surface d'onde qui nuisent à sa parfaite focalisation. Ces perturbations, ou aberrations, peuvent être dues à l'instrument optique lui-même ou provoquees par la propagation dans l'atmosphère. Le dispositif propose est destine à commander un miroir deformable qui compense les defauts de la surface d'onde ou à fournir les informations necessaires à la correction des images par le calcul. Par analyse de surfaces d'onde, on entend la mesure de la répartition des écarts de phase de l'onde issue d'un système optique par rapport à une surface d'onde de référence qui serait celle produite par le système optique s'il était parfait. L'onde peut être perturbée par les aberrations de l'instrument (par exemple, pour un grand miroir, par les déformations de sa surface sous l'effet de diverses contraintes mécaniques ou thermiques, ou, pour un système mosaïque composé de miroirs multiples, par les déplacements relatifs des composants) ou par des phénomènes liés à la propagation dans l'atmosphère (turbulence, défocalisation thermique). L'intérêt d'une analyse en temps réel est de pouvoir appliquer instantanément une correction à l'aide d'un miroir déformable ou plus généralement d'une optique adaptative et donc d'annuler les effets des perturbations mentionnées ci-dessus. Cette technique a actuellement deux types d'applications nécessitant toutes deux une très haute résolution spatiale (inférieure ou égale à 100 rad), le pointage fin de faisceaux lasers, et l'imagerie à très longue distance (astronomie, observation de satellites, ...). Dans le cas de l'imagerie, la connaissance de la perturbation de la surface d'onde au moment de la prise d'image permet également d'effectuer en temps quasi-réel ou différé une correction numérique des images perturbées. Cette correction est complémentaire de la compensation par une optique adaptative lorsque celle-ci n'est pas parfaite. ANALYSE DE SURFACE D'ONDE SELON LA METHODE DE HARTMANN-SHACK La méthode de Hartmann est une ancienne méthode de contrôle optique reposant sur la notion de rayon lumineux. Son perfectionnement et son adaptation aux moyens de mesure électrooptiques modernes ont été proposes par Shack. La référence "J.W. Wyant, Phase measurement systems for adaptive optics, Agard Conference Proceedings nO 300, Monterey, 1981" contient une revue des divers moyens de contrôle de surface d'onde. Il est connu de détecter la distorsion de phase d'une surface d'onde au moyen de lentilles et de détecteurs. Chaque lentille définit une zone à l'intérieur de la pupille, appelée sous-pupille. Le but du dispositif est de mesurer la pente locale de l'onde à l'intérieur de chacune de ces sous-pupilles. Leur nombre doit être suffisant pour que la surface d'onde soit correctement échantillonnée ; ce nombre dépend de la nature et de l'amplitude des aberrations présentes dans le système. Ces dispositifs de l'art antérieur ne fonctionnent que si la source est quasiment ponctuelle. I1 se forme alors au foyer de chaque lentille une image qui est approximativement la tache de diffraction de la sous-pupille. Tout déplacement de cette tache traduit un basculement de la pente moyenne de la surface d'onde à l'intérieur de la pupille. La mesure précise de cette pente suppose que le système ait préalablement été etalonné à l'aide d'une onde plane permettant de déterminer la position nominale de chacune des taches. Dans les dispositifs connus le déplacement de chaque image ponctuelle est mesuré à l'aide d'un capteur écartométrique utilisant un détecteur à quatre quadrants.Ce type de mesure implique de disposer d'autant de détecteurs à quatre quadrants que de sous-pupilles, soit typiquement 4P2 détecteurs si PxP est le nombre de sous-pupilles. Pour des valeurs de P supérieures à quelques unités il devient pratiquement impossible de focaliser chaque tache au centre d'un groupe de quatre détecteurs. I1 est également connu de recevoir chaque image formée par une lentille sur une pluralité de détecteurs jointifs formant une matrice de détecteurs. La position de chaque tache s'obtient en calculant le centre de gravité des signaux délivrés par chacun des détecteurs de la matrice considérée. Une précision égale à une fraction du pas des détecteurs dans la matrice peut ainsi être obtenue. LE PROBLEME DES OBJETS ETENDUS ET PEU CONTRASTES Pour fonctionner convenablement, le dispositif connu nécessite la présence d'une source ponctuelle, il perd de son intérêt quand il faut effectuer l'analyse de surfaces d'onde à partir du rayonnement émis par un objet étendu que l'on cherche à analyser ou à pointer. Dans le cas d'objets étendus et peu contrastés, la technique de recherche du centre de gravité peut conduire à des résultats erronnés. En effet, dans ce cas, l'information est dans le déplacement des détails car le fond continu donne toujours la même contribution. L'objet de l'invention est un dispositif d'analyse de surfaces d'onde qui permet de travailler avec le rayonnement d'une source étendue. Toutefois, comme on le verra, celle-ci ne doit pas être totalement uniforme. Pour travailler avec de tels objets, il faut filtrer le fond continu, il est alors nécessaire d'effectuer une transformation de Fourier de l'image. L'énergie du fond continu se concentre dans la fréquence zéro alors que les détails de l'objet contribuent aux fréquences plus élevées. Si l'objet est étendu, les images formées au foyer de chaque petite lentille vont se superposer : il devient alors très difficile de distinguer les contributions de chacune des lentilles et de mesurer le déplacement des images. Pour éviter ce phénomène, on place un diaphragme de champ au foyer du télescope donc dans le plan de l'image. Ce diaphragme est rectangulaire de telle manière que les images qu'en donne chaque petite lentille soient juste jointives. Le déplacement de chacune de ces petites images à l'intérieur de la zone délimitée par le diaphragme permet de remonter aux pentes locales de la surface d'onde. Il est intéressant d'adapter la taille du diaphragme de champ de manière telle que les images de celui-ci aient des bords jointifs. Les défauts que peuvent présenter les bords des images du diaphragme se compensent (au moins partiellement) et les détails de l'objet se déplacent sur un fond quasiment uniforme. On supposera que l'image I(x) donnée par une sous-pupille se compose d'une fond continu C et d'un détail représenté par f(x). Si a est la position de ce détail, l'image est représentée par I(x) = C eC+6(x-a)*f(x) Sa transformée de Fourier est égale à E( ) 6(u)+e2 tiua.%(u) En posant on obtient A une fréquence u0 non nulle, la phase de I(u) est donc, à #(u0) près, proportionnelle à a. Le terme (uO) est un biais constant que l'on retrouve dans toutes les sous-pupilles ; on ne détermine donc la pente de la surface d'onde qu a une constante près, et donc la surface d'onde n'est connue qu'à un basculement près. Ceci est sans conséquence sur la restauration des images que ce soit par le calcul ou par une optique adaptative puisque ce basculement se traduit par une simple translation de l'image. A partir de la relation (1) précédente, le déphasage s'obtient par partie imaginaire (u0) (2) 2 çuoa+ T (uO) w Arc tg partie réelle (u ) partie réelle En pratique l'image donnée par une sous-pupille est échantillonnée par les détecteurs de la mosaïque.Soient X et Y les dimensions (en nombre de détecteurs) de la zone de la mosaïque affectée à une sous-pupille et soit m (x,y) le signal du détecteur de coordonnées x et y avec 1 # y # Y Soit p la période exprimée en nombre de détecteurs de la fréquence que l'on cherche à calculer, la transformée de Fourier de l'image à la fréquence u0 = I/p est selon l'axe réel u En tenant compte du fait que la sous-pupille est centrée sur X = X 1 I Y =Y+ 1 c 2 et en prenant ce point pour origine, la transformée de Fourier s'écrit en posant le déphasage recherché s'écrit donc Le déphasage selon l'axe v s'écrit en posant La recherche du déplacement des images par le calcul de la Transformée de Fourier peut être comparée au passage de celles-ci devant une grille, cette grille ayant pour pas la période des sinus et cosinus employés. On peut penser que plus la grille est fine, plus le calcul est sensible. Une valeur de p égale à 4 semble être intéressante (les Cx et Sx valent alors 1, O ou -1). Conformément à l'invention, un système de correction de surfaces d'onde comprend une optique adaptative, un détecteur de distorsion de phase d'une surface d'onde et il est caractérisé en ce qu'il comprend une mosaïque de micro-lentilles, une mosaïque de détecteurs située dans le plan focal de la mosaïque de micro-lentilles, lesdits détecteurs délivrant des signaux électriques, un dispositif de calcul de la transformée de Fourier desdits signaux et des moyens d'appliquer à ladite optique adaptative ladite transformée de Fourier. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente un détecteur de distorsion de phase dans un système correcteur d'images de l'art antérieur, - la Fig. 2 représente le détecteur de distorsion de phase à mosaïque de micro-lentilles et mosaïque associés de micro détecteur conforme à l'invention - la Fig. 3 représente la mosalque de micro-lentilles réalisée au moyen d'un ensemble de deux réseaux de lentilles cylindriques - Les Figs. 4A, 4B et 4C représentent les étapes de la réalisation par moulage d' une mosaïque de micro-lentilles - La Fig. 5 représente un analyseur de surfaces d'onde compact et - La Fig. 6 représente, sous la forme d'un diagramme de blocs, les dispositifs de traitement en temps réel du signal de l'analyseur. En se référant à la Fig.l qui rappelle l'art antérieur, on a représenté un objectif 10 à la pupille d'entrée d'un système optique téléscopique, objectif qui fournit une image non corrigée d'un objet distant dans le plan focal il du système optique. Cette image peut être gravement distordue à cause de basculements et de décalages de phase aléatoires du front d'onde produits par la turbulence de l'atmophère ou les aberrations du système otpique. 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 2.Ce détecteur de distorsion de phase 2 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 dans l'art antérieur (brevet américain US-A-3 923 400 et demandes de brevet français N" 2.564.265 du 11 Mai 1984 et N084-09425 du 15 Juin 1984) un interféromètre à dédoublement latéral. La Fig.2 représente le détecteur de distorsion de phase 2. I1 comprend essentiellement une mosaïque 20 de micro-lentilles 21 et une mosaïque 25 de micro-détecteurs 26. Dans le plan de la lentille 12' est situé un diaphragme 28. La Fig.2 représente également la surface d'onde 29 et la position de l'image avec aberrations 30 et sans aberrations. La petitesse des lentilles 21 composant la mosaïque 20 (quelques centaines de pm) et leur grand nombre (typiquement 1000) font qu'il est impossible de réaliser ces lentilles par les techniques traditionnelles. Ces lentilles 21 sont très peu ouvertes (F/100) et l'on est donc peu exigeant sur leur qualité optique. L'emploi de techniques non conventionnelles est envisageable. La Fig. 3 représente la mosaïque de micro-lentilles (20) réalisée au moyen d'un ensemble de deux reseaux 32-33 de lentilles cylindriques croisés constituant un réseau de lentilles quasi-sphériques. La focale des lentilles ainsi obtenue est trop courte pour son application à l'invention. Pour augmenter cette focale, il suffit de diminuer la puissance des lentilles cylindriques en collant les deux réseaux avec une colle d'indice voisin du leur. Plusieurs réalisations satisfaisantes ont ainsi été obtenues par le demandeur. Une grille 34 protège les détecteurs contre la lumière parasite, produite par les bords des micro-lentilles Le principal problème posé par l'utilisation des réseaux de lentilles cylindriques est leur géométrie figée. Dans le but d'être mature du pas des mosaïques, de leur focale et du matériau employé, une technique de moulage peut être employée.Le moule 40 est réalisé en faisant une série d'empreintes 35 d'une bille 36 à l'aide d'une machine à commande numérique sur un support doré 37. Une résine 38 d'indice nlest ensuite coulée dans le moule 40. Le diamètre et l'ouverture de ces lentilles étant faibles, leur flèche au bord est très faible (de l'ordre du pm). Afin d'être moins sensible aux défauts du moulage, on réalise des lentilles de flèche plus forte, celle-ci étant compensée par le moulage sur le réseau d'une résine 39 d'indice n2 voisin de celui de la première (Figs.4A, 4B et 4C). Le dispositif compact d'analyse de surfaces d'onde de la Fig. 5 se compose de deux parties principales : une première partie opto-mécanique 41 et une partie d'analyse optique 42. La partie opto-mécanique comprend le diaphragme de champ 28 qui est un cache métallique réalisé par électro-érosion, la lentille de champ 12, une lentille intermédiaire 43 dont le foyer se trouve sur le diaphragme, la grille 34 et la mosaïque de micro-lentilles 20. La deuxième partie est une caméra à bas niveau de lumière. Son premier étage est un amplificateur de brilla ce 44 qui sert également d'obturateur rapide pour l'observation de déformations évolutives. Il est couplé par un réducteur à fibres optiques 45 à une mosaïque de détecteurs CCD 25. Ce deuxième ensemble est lié rigidement à la partie optique. Le dispositif effectuant la transformée de Fourier est représenté sur la Fig. 6. La zone de la mosaïque de détecteurs 25 correspondant à une sous-pupille est désignée par 46. Les pixels de l'image donnés par le CCD sont reçus séquentiellement ligne par ligne. La première opération consiste à effectuer des corrections d'uniformité et de niveau (bloc 47) ainsi qu a compenser les défauts à l'aide d'une table (bloc 48) établie lors de l'étalonnage de la mosaïque. Le calcul de la transformée de Fourier commence lorsque tous les signaux relatifs à la première ligne de sous-pupilles sont entrés et stockés dans une mémoire-tampon 49. Le calcul des deux valeurs de la transformée de Fourier s'effectue simultanément grâce à un double processeur 51-52. Les coefficients C , C , S et S x y x y sont précalculés et conservés en mémoire. Les opérations nécessaires à l'obtention de la transformée de Fourier ne sont que des additions et des multiplications. Le calcul de la fonction Arc tg est effectué par interpolation entre les valeurs calculées de cette fonction. Pendant que s'effectue le calcul de la transformée de Fourier, les valeurs des pixels correspondant à la deuxième ligne de sous-pupilles sont stockées dans une deuxième mémoire-tampon 50. A la fin de ce stockage les calculs portant sur la première ligne de sous-pupilles doivent être terminés. Le calcul reprend alors sur la deuxième ligne pendant que la première mémoire-tampon se remplit et ainsi de suite jusqu'à la fin de l'image. Une variante du traitement prévoit de traiter le cas où le champ n'est pas isoplanétique (c'est à dire lorsque la déformation des fronts d'onde n'est pas la même dans tous les points du champ). Dans ce but, au niveau du traitement, on découpe les zones de la mosaïque de détecteurs affectées à chaque sous-pupille dans le domaine isoplanétique. On peut alors traiter dans ce domaine séparément et mesurer la pente locale de la surface d'onde correspondant à chacun d'eux. On détermine ainsi simultanément les perturbations en plusieurs points du champ ce qui permet d'effectuer une correction numérique des images. REVENDICATIONS 1 - Système de correction de surfaces d'onde comprenant une optique adaptative et un détecteur de distorsion de phase d'une surface d'onde caractérisé en ce que le détecteur de distorsion de phase comprend une mosaïque de micro-lentilles, sur laquelle est projetée une image, une mosaïque de détecteurs située dans le plan focal de la mosaIque de micro-lentilles, lesdits détecteurs délivrant des signaux électriques, un dispositif de calcul de la transformée de Fourier desdits signaux et des moyens d'appliquer à ladite optique adaptative ladite transformée de Fourier. 2 - Système de correction de surfaces d'onde conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'un diaphragme rectangulaire est placé dans le plan image de l'instrument d'optique produisant la surface d'onde que l'on vient corriger, les micro-lentilles projetant ledit diaphragme sur le plan des détecteurs de la mosaïque de détecteurs de façon telle que les images du diaphragme données par les micro-lentilles soient des rectangles jointifs. 3 - Système de correction de surfaces d'onde conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la mosaïque de micro-lentilles est formée de deux réseaux de lentilles cylindriques croisés ( 32,33)et collés par une résine d'indice de refraction voisin de celui des réseaux de lentilles cylindriques. 4 - Système de correction de surfaces d'onde conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la mosaïque de micro-lentilles est formée par moulage d'une résine dans un moule comportant une série d'empreintes de flèches relativement grandes celle-ci étant compensée par le moulage sur le réseau d'une seconde résine d'indice voisin de celui de la première.