Brevet FR2714738A1 — publié le 19950707

La présente invention a pour objet un dispositif de détermination des caractéristiques optiques d'un système optique. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif qui permet de déterminer avec précision et de façon automatique des caractéristiques optiques d'un système optique de dimensions non planes, ces caractéristiques optiques pouvant être la puissance ou vergence et la fonction de transfert optique de telle manière que la mesure puisse s'affranchir des erreurs éventuelles de positionnement du système dont on veut déterminer les caractéristiques par rapport au dispositif de mesure. On connaît déjà au moins deux méthodes permettant de déterminer ces caractéristiques. La première méthode est une méthode interférométrique. qui consiste à effectuer la comparaison d'un système optique à étudier avec un système optique de référence. Afin d'obtenir de grandes précisions de mesure, plusieurs conditions doivent être respectées. Tout d'abord, la position des deux systèmes optiques à comparer doit être optimisée en minimisant les interférences. Cela implique plusieurs systèmes mécaniques de précision pour le positionnement des systèmes, ce qui entraîne un coût de fabrication important et un allongement de la durée des mesures. I1 faut en outre que la distance focale du système de référence soit la plus proche possible du système à étudier. Cette méthode ne peut donc être utilisée comme banc de contrôle rapide lors de la fabrication de systèmes optiques, tel que des implants intraoculaires. En effet, cela impliquerait des changements fréquents du système optique de référence car les différents implants à fabriquer n'ont pas la même distance focale. De plus, compte tenu de la diversité des distances focales des implants intraoculaires, il faudrait disposer d'une grande quantité d'implants de référence, ce qui entraîne encore un accroissement du coût. Enfin, on ne peut par cette méthode évaluer la fonction de transfert optique d'un système optique plus performant que la référence. La référence optique doit donc être de très bonne qualité. Une autre méthode, dite méthode percussionnelle, réalise et analyse l'image d'une fente fine obtenue par le système optique à analyser. Plus précisément, cette technique, selon un mode de mise en oeuvre connu, consiste à observer à la distance focale du système optique l'image d'une fente située à l'infini et de calculer la transformée de Fourrier, le module de la transformée de Fourrier étant alors après normalisation, la fonction de transfert optique du système optique. Cette technique de détermination des caractéristiques optiques impose également une grande précision de positionnement du système optique et du capteur d'image pour obtenir une mesure correcte. D'un point de vue pratique, la correction de ces erreurs de positionnement nécessite le calcul de la fonction de transfert suivant 6 degrés de liberté, ce qui entraîne évidemment un allongement de la durée de la mesure. Un objet de la présente invention est de fournir un dispositif de mesure des caractéristiques optiques d'un système optique et notamment d'implants intraoculaires permettant de déterminer les caractéristiques de ce système optique sans que cela ne nécessite de disposer d'un système optique de référence et sans que cela ne nécessite des opérations de positionnement du système optique à traiter par rapport à l'ensemble du banc de mesure. En outre, ce dispositif optique doit permettre d'effectuer des mesures sur des systèmes optiques qui ne peuvent être assimilés à des systèmes optiques géométriques. Pour atteindre ce but, selon l'invention, le dispositif de mesure de caractéristiques d'un système optique se caractérise en ce qu'il comprend: une source de lumière pour émettre un faisceau de lumière cohérent dans une direction prédéterminée; une surface plane diffusante disposée en regard du faisceau émis et sécante à ladite direction pour être éclairée par une onde plane cohérente, par quoi ladite surface diffusante constitue une source formée de taches dont les caractéristiques sont quasi aléatoires; des moyens pour disposer de manière fixe ledit système optique au-delà de ladite surface de telle manière que son axe coïncide sensiblement avec la direction dudit faisceau; des moyens pour capter une image du faisceau émis par ladite source qui a traversé ledit système optique ; et des moyens d'analyse et de traitement de ladite image pour en déduire lesdites caractéristiques du système optique. On comprend que le dispositif selon la présente invention consiste à élaborer une source de lumière formée de taches dont les caractéristiques sont quasi aléatoires en ce qui concerne leur position, leur dimension et leur intensité à l'aide d'une source de lumière cohérente telle qu'un laser et d'une surface plane diffusante disposée en regard du faisceau émis. Cette source de taches à caractéristiques quasi aléatoires est appliquée au système optique à mesurer et l'image de la source de taches produite par le système optique est analysée pour en déduire les caractéristiques du système optique. Selon un premier mode de mise en oeuvre, le dispositif qui permet la mesure de la vergence du système optique se caractérise en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déplacer la surface diffusante d'une longueur d, et en ce que les moyens d'analyse et de traitement comprennent des moyens pour analyser ladite image et pour en déduire le déplacement moyenné d' des taches constituant ladite image et des moyens pour élaborer la vergence dudit système optique en fonction desdites informations de déplacement d et d'. Ce déplacement peut être un déplacement linéaire de la surface diffusante ou un déplacement en rotation autour d'un axe parallèle à la direction de propagation du faisceau lumineux de mesure. Selon un mode préféré de mise en oeuvre, le dispositif de mesure comprend en outre des moyens pour capter une deuxième image du faisceau lumineux qui a traversé le système optique dans un deuxième plan distinct du premier, des moyens pour analyser ladite deuxième image et pour en déduire le déplacement moyenné d" des taches présentes dans ladite deuxième image, et les moyens de traitement élaborent la vergence dudit système optique à partir des informations de déplacement d, d', d". De préférence, on caractérise le système optique par sa Fonction de Transfert d'Intermodulation qui est la transformée de Fourrier du pic d'intercorrélation. Selon un troisième mode de mise en oeuvre, le dispositif de mesure de la vergence du système optique se caractérise en ce que les moyens pour capter une image du faisceau ayant traversé le système optique comprennent des moyens pour capter des images partielles dans un même plan à des instants différents. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est une vue simplifiée illustrant le principe du dispositif de mesure selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue de l'ensemble d'un mode préféré de réalisation du dispositif de mesure. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire le principe sur lequel se base l'invention. Le dispositif de mesure de caractéristiques optiques comprend tout d'abord une source A d'élaboration d'un faisceau lumineux présentant des taches ou speckle de distribution quasi aléatoire. Plus précisément, cette source A est constituée de préférence par un faisceau de lumière cohérente F qui vient frapper une surface diffusante S disposée dans un plan de préférence perpendiculaire au faisceau cohérent F. La surface diffusante S qui est éclairée par l'onde cohérente du faisceau F forme ainsi une source constituée par des taches dont les caractéristiques sont quasi aléatoires, aussi bien en ce qui concerne leur intensité que leur répartition spatiale ou que leurs dimensions. La source formée par la surface réfléchissante S ou le faisceau lumineux résultant est appliquée au système optique I dont on veut analyser les caractéristiques. Dans un plan Pi, on obtient une image de la source S fournie par le système optique I. Si l'on applique à la surface diffusante S des déplacements d, par exemple selon la direction x, et que l'on mesure les déplacements correspondants d' selon la direction u correspondant à la direction x, les inventeurs ont montré que l'on peut déterminer les caractéristiques optiques du système optique I par exploitation mathématique des mesures de déplacement d de la source de speckle et du déplacement d' dans le plan Pi des images des taches du faisceau émis par la surface diffusante S. Pour établir ce résultat, on se basera sur les éléments représentés sur la figure 1 sur laquelle Po est le plan conjugué du plan image Pi par rapport au système optique I, f est la distance focale du système optique I à mesurer, 1 est la distance entre le système optique et la surface diffusante F et L, lo et li sont respectivement les distances entre le système optique I et les plans Po et Pi. Si l'on appelle V la vitesse de déplacement de la surface S selon la direction x, juste derrière la surface diffusante, l'intercorrélation de la distribution d'intensité s'écrit Si l'on passe à l'intercovarianoe de la distribution d'intensité, on peut écrire: (2) avec #I(x,t) = I(x,t) - (3) étant l'espérance mathématique de la distribution d'intensité de l'image formée par la surface diffusante. Or l'intensité lumineuse est proportionnelle au carré du module du champ électrique. On peut donc écrire: I(x,t)aÏE(x,t)12(4) E(x,t) représentant le champ électrique et le signal a signifiant "proprotionnel à". D'après les propriétés des distributions gaussiennes de l'intercovariance, on peut écrire: &alpha;| | (5) Le deuxième membre de la relation (5) est le carré du module de la fonction intercorrélation des champs électriques. Or l'intercorrélation des champs électriques obéit aux lois des bruits blancs: a 6 Vx) (6) Si l'on considère le speckle produit dans le plan d'observation Po, on a une distribution du champ électrique Eo(x,t) qui est reliée à la distribution du champ électrique E(x,t) par un produit de convolution faisant apparaître la réponse impulsionnelle du système optique dans la configuration d'utilisation. Eo(x,t) = jh(x,u)E(u,t)du (7) Dans le plan Po, le calcul d'intercovariance de l'intensité du speckle s'écrit a * Wh*(x,u)h(x+t,u+r)du|2 (8) Si l'on néglige l'ouverture du système optique, on peut écrire: h(x,u) = exp{j(x2/li+u2/l) - j*(x/li+u/1)2} (9) expression dans laquelle E = 1/1-1/lo. On obtient alors l'expression: ab(t+V't) (10) avec V' = -lo/li V En faisant intervenir la distance focale f du système optique, on obtient: V' = (li-l)/f V (12) Connaissant V et li et en mesurant la vitesse moyennée V' de l'image, on en déduit la distance focale f du système optique. En se référant maintenant à la figure 2, on va décrire un mode préféré de réalisation du dispositif de mesure de caractéristiques optiques mettant en oeuvre le principe énoncé précédemment. Sur cette figure, la source A de faisceau lumineux formé par des taches à caractéristiques quasi aléatoires est constituée par un laser 10 dont le faisceau est appliqué à l'entrée d'un agrandisseur de faisceau 12 qui délivre un faisceau de lumière cohérente F. Ce faisceau frappe une surface diffusante 14 qui est constituée par exemple par une plaque de verre dépolie qui est solidaire d'un système mécanique 16 de déplacement en translation selon la direction T, ce système mécanique étant actionné par le moteur 18. Ainsi, la plaque 14 est animée d'un mouvement de translation linéaire parallèle à la direction T. En d'autres termes, la surface diffusante est animée d'un mouvement de translation dans un plan perpendiculaire à celui de l'axe du faisceau. Le faisceau de speckle F est appliqué au système optique I qui est fixe. Le faisceau ayant traversé le système optique est recueilli par un premier capteur d'images 20 après avoir traversé un miroir semi-réfléchissant 22 constituant un séparateur de faisceaux. La partie séparée du faisceau 24 est appliquée à un deuxième capteur d'images 26. Les capteurs d'images 20 et 26 ont pour fonction de recueillir la distribution spatiale et temporelle des taches du faisceau émis par la source A et ayant traversé le système optique I. Les informations délivrées par les capteurs d'images 20 et 26 sont appliquées à un dispositif de traitement d'informations 28 qui permet, comme on l'a expliqué précédemment, d'élaborer les caractéristiques du système optique I notamment sa distance focale f à partir des informations délivrées par les capteurs 20 et 26 et à partir de la caractéristique de déplacement fourni par le moteur 18 à la surface diffusante 14. Le dispositif 28 réalise sous forme informatique les calculs explicités précédemment. Chaque capteur 20 ou 26 peut avantageusement être constitué par une barrette de photodiode présentant une résolution suffisante et s'étendant selon la direction de déplacement de la surface diffusante, si ce déplacement est réalisé selon une seule direction. On effectue différentes saisies d'images à l'aide des capteurs 20 et 26 pour différents déplacements t et T de la surface diffusante S. Les valeurs moyennées de déplacement des images recueillies pour chaque déplacement de la surface diffusante permettent de déterminer le paramètre li puis la distance focale f du système optique à mesurer. Pour minimiser les erreurs de calcul, il est souhaitable que li soit aussi grande que possible. En variante, au lieu d'utiliser deux capteurs optiques 20 et 26 occupant des positions différentes, il est possible de n'en utiliser qu'un qui, pour un même déplacement de la surface diffusante occupera deux positions successives. Dans l'exemple de mesure de distance focale décrit précédemment, on se base sur l'évolution temporelle des speckles produite par le déplacement de la surface produisant les speckles (événement spatial). On pourrait au contraire échanger les conditions d'espace et de temps. Cela reviendrait à observer l'évolution dans le temps des images partielles recueillies dans le plan Pi en des points de ce plan disposés de façon aléatoire ou plutôt quasi-aléatoires. Dans le but de caractériser la fonction de transfert du système étudié, on utilise avantageusement une méthode basée sur le pic d'intercovariance. Après avoir obtenu ce pic d'intercovariance grâce aux méthodes décrites ci-dessus, il s'agit de le décaler de la valeur qui a permis de calculer la puissance, afin de le recentrer. En en prenant la transformée de Fourrier, on obtient un pic proportionnel aux défauts de phase induits par le déplacement pris en compte. On introduit donc une nouvelle définition de la Fonction de Transfert de système optique étudié que nous appellerons Fonction de Transfert d'Intermodulation (FTI). Une autre mode de mise en oeuvre du dispositif de mesure consiste à capter des images partielles en des points distribuées de façon quasi-aléatoires dans l'espace et non plus dans un plan donné et de traiter la moyenne des informations ainsi recueillies. Cette solution permet de s'affranchir de la précision requise sur la position des deux plans de recueil d'images définis par les capteurs 20 et 26. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de caractéristiques d'un système optique, caractérisé en ce qu'il comprend: une source de lumière (10, 12) pour émettre un faisceau de lumière cohérente dans une direction prédéterminée; une surface plane diffusante (S, 14) disposée en regard du faisceau émis et sécante à ladite direction pour être éclairée par onde plane cohérence, par quoi ladite surface diffusante constitue une source formée de taches dont les caractéristiques sont quasi aléatoires; des moyens pour disposer de manière fixe ledit système optique (I) au-delà de ladite surface de telle manière que son axe coïncide sensiblement avec la direction dudit faisceau; des moyens (Pi, 20, 26) pour capter une image du faisceau émis par ladite source qui a traversé ledit système optique ; et des moyens (28) d'analyse et de traitement de ladite image pour en déduire lesdites caractéristique du système optique. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, pour la mesure de la vergence dudit système optique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (16) pour déplacer ladite surface diffusante (14) d'une longueur d et en ce que lesdits moyens d'analyse et de traitement (28) comprennent des moyens pour analyser ladite image et pour en déduire le déplacement moyenné d' des taches constituant ladite image et des moyens pour élaborer la vergence dudit système optique en fonction desdites informations de déplacement d et d'. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (26) pour capter une deuxième image du faisceau lumineux qui a traversé ledit système optique dans un deuxième plan distinct du premier; des moyens pour analyser ladite deuxième image et pour en déduire le déplacement moyenné d" des taches présentes dans ladite deuxième image; et en ce que lesdits moyens de traitement (28) élaborent la vergence dudit système optique à partir à des informations de déplacement d, d' et d". 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comprennent des moyens pour élaborer la transformée de Fourrier du pic d'intercorrélation. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, pour la mesure de la vergence dudit système optique, caractérisé en ce que lesdits moyens pour capter une image du faisceau ayant traversé ledit système optique comprennent des moyens pour capter des images partielles à des positions spatialement quasi aléatoires dans la direction de propagation dudit faisceau. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 1, pour la mesure de la vergence dudit système optique, caractérisé en ce que les moyens pour capter une image du faisceau ayant traversé ledit système optique comprennent des moyens pour capter des images partielles dans un même plan à des instants différents.