Brevet FR2846742A1 — publié le 20040507

DISPOSITIF POUR DETERMINER L'INTENSITE ET LA PHASE D'UN FAISCEAU DE LUMIERE COHERENTE DANS UN PLAN DE COUPE DU FAISCEAU Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un dispositif pour déterminer l'intensité et la phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau. La lumière cohérente est, par exemple, la lumière issue 10 d'un laser. Les dispositifs connus pour la détermination de l'intensité et de la phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau se répartissent en trois familles: 1) les dispositifs interférométriques, 2) les dispositifs de type Hartmann-Shack, 3) les dispositifs de prélèvement de profils spatiaux. Les dispositifs interférométriques utilisent la combinaison du front d'onde à mesurer avec une onde 20 ayant une relation de phase avec celle-ci. Les dispositifs de type Hartmann-Shack utilisent un masque de phase (matrices de lentilles, trous...) pour évaluer la pente de la surface d'onde en chaque point. La reconstruction permet alors de 25 calculer la surface d'onde. Le problème de l'obtention de la phase à partir de profils d'intensités a été étudié dans la littérature sous le nom anglais de "phase retrieval problem". L'étude de différentes solutions est proposée 30 dans les articles "Phase retrieval algorithms: a comparison", Applied Optics, vol. 21, p. 2758, Aot B 14213.3/PR 1982 et "The phase retrieval problem", IEEE transactions on Antennas and Propagation AP29, p.386, Mars 1981. On connaît en particulier l'algorithme proposé 5 par Gerchberg et Saxton en 1971 (revue Optik 34, 275 (1971)). Ces auteurs utilisent un plan image, et un plan de diffraction en champ lointain, au foyer d'une lentille. Le brevet français publié sous le numéro 10 2774761 divulgue un procédé de traitement de profils spatiaux permettant d'améliorer la précision de la reconstruction de phase. Ce procédé comprend: - la mesure de l'intensité Ii (i=l... N) d'un faisceau dans N plans (N>3), dont le plan dans lequel on veut 15 déterminer la répartition d'intensité et de phase, - le choix, pour le plan de rang i=I, d'une matrice de phase pl de départ et le calcul d'une matrice d'amplitude complexe, par produit terme à terme de la matrice de phase e291 avec la matrice d'amplitude Ai 20 correspondante, pour chaque plan de rang j>1 - la détermination d'une matrice complexe propagée B'j à partir de la matrice mesurée d'amplitude Aj1 du plan j-1 et de la matrice de phase ç du plan 25 j-1, - l'extraction, de B'j, d'une matrice de phase du plan j, - l'itération du procédé jusqu'à convergence, avec j=1 lorsque j-l=N. Le dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé comprend: B 14213.3/PR - des moyens pour mesurer l'intensité Ii (i=l,...N) du faisceau dans N plans, N>3, - des moyens de calcul programmés pour, à partir d'une matrice de phase (p de départ correspondant à un plan de rang i=l: - calculer une matrice d'amplitude complexe Bi par produit de la matrice de phase e9iP avec la matrice d'amplitude Ai correspondante, - pour chaque plan de rang j>i - calculer une matrice complexe propagée B'j à partir de la matrice mesurée d'amplitude Aj-1 du plan de rang j-1 et de la matrice de phase p du plan j-1, - extraire une matrice de phase du plan de rang j 15 de la matrice B'j, - itérer le calcul ci-dessus en faisant j=l lorsque j-l=N. Un dispositif tel que divulgué dans le brevet français N02 774 761 est représenté en figure 1, dans 20 le cas o N=3. Le dispositif comprend trois miroirs Ml, M2, M3 alignés dans la direction du faisceau F de lumière cohérente, trois caméras Ci, C2, C3 pouvant être, par exemple, des caméras à dispositif à transfert de 25 charges, plus communément appelées caméras CCD, (CCD pour " Charge Coupled Device ") et un calculateur 1. Les miroirs sont orientés à 45 degrés par rapport à l'axe du faisceau incident. Chaque miroir dévie à angle droit une fraction du faisceau qu'il reçoit. Chaque 30 caméra CCD est placée sur le trajet d'une fraction de faisceau dévié. Les plans d'onde Pi, P2, P3 mesurés par B 14213.3/PR les caméras respectives Cl, C2, C3 sont optiquement conjugués de plans d'onde respectifs P'l, P'2, P'3 du faisceau principal. Les caméras sont reliées au calculateur 1. Pour chacun des plans de mesure Pi, la mesure d'intensité Ii est fournie au calculateur 1. Le dispositif de l'art antérieur comporte autant de caméras que de plans de mesure. Ceci représente un inconvénient aussi bien en terme d'encombrement qu'en terme de cots. En effet, la 10 multiplication (N 2 3) des miroirs et des caméras conduit à un système non seulement volumineux mais également coteux. L'invention ne présente pas ces inconvénients. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif pour déterminer l'intensité et la phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau, le dispositif comportant - des moyens pour mesurer l'intensité Ai (i=l,...N) du faisceau dans N plans, N>3, - des moyens de calcul programmés pour, à partir d'une matrice de phase (pl de départ, correspondant à un plan de rang i=l: - calculer une matrice d'amplitude complexe Bi par produit de la matrice de phase e191 avec la matrice d'intensité Ai correspondante, - pour chaque plan de rang j>l: calculer une matrice complexe propagée B'j à 30 partir de la matrice mesurée d'amplitude Aj-1 B 14213.3/PR du plan de rang j-i et de la matrice de phase 9 du plan de rang j-1, extraire une matrice de phase du plan de rang j de la matrice B'j, itérer le calcul ci-dessus, en faisant j=l lorsque j-l=N, les moyens pour mesurer l'intensité Ai (i=l,...N) du faisceau dans N plans, N>3, comprenant des moyens pour former N faisceaux élémentaires distincts à partir du 10 faisceau de lumière cohérente. Les moyens pour mesurer l'intensité Ai (i=l, 2,..., N) comprennent un plan unique de capteurs et les moyens pour former N faisceaux élémentaires distincts comprennent des moyens pour rassembler les N faisceaux élémentaires distincts 15 sur N zones distinctes du plan unique de capteurs. L'invention permet avantageusement de constituer un dispositif peu encombrant et peu coteux. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles: - La figure 1 représente un dispositif pour 25 déterminer la répartition d'intensité et de phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau, selon l'art antérieur; - les figures 2A et 2B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue de côté 30 d'un premier exemple de dispositif pour déterminer la répartition d'intensité et de phase d'un faisceau de B 14213.3/PR lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau, selon l'invention; la figure 3 représente une image recueillie par un dispositif tel que représenté aux figures 2A5 2B; - les figures 4A-4C représentent des images déduites de l'image recueillie représentée en figure 3 pour la mise en oeuvre du procédé de détermination de répartition d'intensité et de phase; - les figures SA et 5B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue de côté d'un deuxième exemple de dispositif pour déterminer la répartition d'intensité et de phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau, 15 selon l'invention. Sur toutes les figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de réalisation de 20 l'invention La figure 1 a été décrite précédemment, il est donc inutile d'y revenir. Les figures 2A et 2B représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté 25 d'un premier exemple de dispositif selon l'invention pour la détermination de l'intensité et de la phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan de coupe du faisceau. Le dispositif comprend une caméra 2 munie d'un 30 plan 3 de capteurs, par exemple, des capteurs à couplage de charges, plus communément appelées capteurs B 14213.3/PR -7 CCD, un calculateur 1 relié à la caméra 2, un élément optique de prélèvement 4 et deux miroirs 5 et 6. L'élément optique de prélèvement 4, par exemple un prisme, permet la formation de trois faisceaux Fl, 5 F2, F3 à partir du faisceau de lumière cohérente F. Un premier faisceau Fl est obtenu par transmission directe du faisceau F à travers l'élément 4. Le deuxième faisceau F2 est obtenu, à partir du faisceau F, par, successivement, réflexion du faisceau F sur l'élément 10 4, réflexion, sur le premier miroir 5, du faisceau réfléchi sur l'élément 4 et transmission, à travers l'élément 4, du faisceau réfléchi sur le premier miroir 5. Le troisième faisceau F3 est obtenu, à partir du faisceau F, par, successivement, réflexion du faisceau 15 F sur l'élément 4, réflexion, sur le deuxième miroir 6, du faisceau réfléchi sur l'élément 4 et transmission, à travers l'élément 4, du faisceau réfléchi sur le deuxième miroir 6. Le plan 3 de capteurs intercepte les faisceaux 20 Fl, F2, F3 selon les plans de mesure respectifs Pi, P2, P3. Les plans de mesure Pl, P2, P3 sont optiquement conjugués de plans de coupe respectifs P'l, P'2, P'3 relatifs au faisceau F. Le plan P'l est sensiblement confondu avec le plan Pl. Les plans P'2 et P'3 sont des 25 plans théoriques d'un faisceau extrapolé construit par extension du faisceau F au-delà de la caméra 2. Comme cela est représenté sur la figure 3, les plans de mesure Pi, P2, P3 conduisent à la formation de zones de détection respectives Dl, D2, D3 sur le plan 3 30 de capteurs. Les zones de détection sont séparées les B 14213.3/PR unes des autres. Le plan de mesure 3 est, par exemple, constitué d'une matrice de 1000 pixels x 1500 pixels. De façon préférentielle, à partir de l'image globale obtenue sur le plan 3 de capteurs, le 5 calculateur 1 extrait des images élémentaires 3a, 3b, 3c correspondant aux zones de détection respectives Dl, D2, D3 (cf. figures 4A, 4B, 4C). Les images élémentaires 3a, 3b, 3c sont, par exemple, ramenées dans un espace de 400 pixels x 400 pixels. Le champ 10 complexe (amplitude, phase) du faisceau laser dans la pupille de départ définie par le plan Pl est alors calculé à partir des mesures d'intensité effectuées dans les plans Pi, P2, P3 comme cela est décrit dans le brevet français N02 774 761. Le champ complexe 15 (amplitude, phase) dans un plan de coupe quelconque du faisceau peut alors être déduit. Les figures SA et 5B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue de côté d'un deuxième exemple de dispositif pour déterminer la 20 répartition d'intensité et de phase d'un faisceau de lumière cohérente dans un plan selon l'invention. Selon ce deuxième exemple, quatre faisceaux diffractés Fl, F2, F3, F4 sont formés à partir du faisceau F. En plus des éléments mentionnés ci- dessus 25 en référence aux figures 2A et 2B, le dispositif selon l'invention comprend ici une lame prismatique 7 permettant de dédoubler le faisceau qui se réfléchit sur le miroir 6. Une quatrième zone de détection apparaît sur le plan 3 de capteurs. Les deux dispositifs décrits ci-dessus comprennent des moyens pour former respectivement trois B 14213.3/PR et quatre faisceaux diffractés à partir du faisceau de lumière cohérente. De façon générale, le dispositif selon l'invention comprend des moyens pour former N faisceaux diffractés à partir du faisceau de lumière 5 cohérente. N images sont alors formées sur le plan 3 de capteurs. Selon l'art antérieur, l'utilisation de lames épaisses conduit à dévier les faisceaux mesurés à angle droit par rapport au faisceau de lumière cohérente. Il 10 s'ensuit une déformation sensible des plans de mesure. Avantageusement, selon l'invention, l'utilisation d'éléments en incidence faible permet de ne pas déformer les plans de mesure. Il est ainsi possible d'effectuer des mesures de meilleure qualité. B 14213.3/PR REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer l'intensité et la phase d'un faisceau de lumière cohérente (F) dans un plan de coupe du faisceau, le dispositif comportant: - des moyens (1, 2, 3, 4, 5, 6) pour mesurer l'intensité Ai (i=l,...N) du faisceau dans N plans, N>3, - des moyens de calcul (1) programmés pour, à partir 10 d'une matrice de phase q1 de départ, correspondant à un plan de rang i=l: - calculer une matrice d'amplitude complexe (B1) par produit de la matrice de phase ei'1l avec la matrice d'intensité (Ai) correspondante, 15 - pour chaque plan de rang j>1: calculer une matrice complexe propagée B'j à partir de la matrice mesurée d'amplitude Aj-1 du plan j-1 et de la matrice de phase p du plan j-1, extraire une matrice de phase du plan de rang j de la matrice B'j, itérer le calcul ci-dessus, en faisant j=l lorsque j-l=N, les moyens (1, 2, 3, 4, 5, 6) pour mesurer l'intensité 25 Ai (i=l,...N) du faisceau dans N plans, N>3, comprenant des moyens pour former N faisceaux élémentaires distincts à partir du faisceau de lumière cohérente (F), caractérisé en ce que les moyens pour mesurer 30 l'intensité Ai (i=1, 2,..., N) comprennent un plan unique (3) de capteurs et en ce que les moyens pour B 14213.3/PR former N faisceaux élémentaires distincts comprennent des moyens pour rassembler les N faisceaux élémentaires distincts sur N zones distinctes du plan unique (3) de capteurs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul (1) sont programmés pour extraire N images élémentaires (3a, 3b, 3c) à partir d'une image formée sur le plan unique (3) de capteurs. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, N étant égal à trois, il comprend un élément optique de prélèvement (4), un premier miroir (5) et un second miroir (6), un premier 15 faisceau (Fl) étant obtenu par transmission directe du faisceau de lumière cohérente (F) à travers l'élément optique de prélèvement. (4), un deuxième faisceau (F2) étant obtenu, à partir du faisceau de lumière cohérente (F), par, successivement, réflexion du faisceau de 20 lumière cohérente (F) sur l'élément optique de prélèvement (4), puis sur le premier miroir (5) et transmission du faisceau réfléchi sur le premier miroir (5) à travers l'élément optique de prélèvement (4) et le troisième faisceau (F3) étant obtenu, à partir du 25 faisceau de lumière cohérente (F), par, successivement, réflexion du faisceau de lumière cohérente (F) sur l'élément optique de prélèvement (4), puis sur le deuxième miroir (6) et transmission du faisceau réfléchi sur le deuxième miroir (6) à travers l'élément 30 optique de prélèvement (4). B 14213.3/PR 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour rassembler les N faisceaux élémentaires distincts sur N zones distinctes du plan unique (3) de capteurs comprennent au moins un élément optique de prélèvement (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément optique de prélèvement (4) est un prisme. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs sont des capteurs à couplage de charges (CCD). B 14213.3/PR