Brevet FR2933188A1 — publié le 20100101

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure de distances focales d'un système dioptrique quelconque. Dans la mesure de focale de système optique, il existe deux méthodes connues respectivement sous le nom de méthode de Bessel et méthode de Silberman. La méthode de Bessel nécessite de connaître initialement la valeur présumée de la distance focale du système. Un plan objet lumineux tel qu'une mire et un plan image tel qu'un écran sont positionnés sur un banc optique à une distance supérieure à quatre fois la valeur présumée. Dans ces conditions, les lois de l'optique géométrique prévoient qu'il existe deux positions du système entre le plan objet et le plan image qui conjuguent exactement la mire et l'écran. On déduit aisément la valeur de la distance focale du système. Dans la méthode de Silberman, on choisit une distance entre les plans objet et image telle qu'il n'existe plus qu'une position du système pour assurer la conjugaison. Dans ces conditions, la valeur de la distance de la focale du système est exactement le quart de la valeur de la distance séparant les deux plans. On comprend que ces deux méthodes soient réservées à des systèmes convergents puisque le couple de plans est nécessairement réel. Couramment, ces méthodes permettent de mesurer les distances focales de lentilles minces convergentes. II existe dans le commerce des instruments spécialisés dans la mesure de focale, connus sous le nom de frontofocomètres. Certains ont un fonctionnement manuel et d'autres sont automatisés. Conçus pour mesurer des verres de correction de la vue, c'est à dire des lentilles minces ou peu épaisses, convergentes ou divergentes. Ces instruments utilisent une méthode de mesure simple. Un collimateur placé sur un support mécanique mobile en translation forme une image à l'infini d'une mire fixe éclairée par une source de lumière annexe. Un objectif convergent focalise cette lumière et un oculaire permet à l'opérateur d'observer l'image de la mire. L'échantillon est positionné sur le support mobile au foyer image du collimateur. L'opérateur déplace le support du collimateur jusqu'à observer une nouvelle image nette de la mire. Le déplacement est directement proportionnel à la vergence de - 2 l'échantillon. Le principe des frontofocomètres est largement décrit dans le site internet de l'Université de Nantes : www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml La présente invention concerne la mesure de distances focales de systèmes dioptriques. II est entendu : que la nature d'un système dioptrique peut être sphérique, asphérique, cylindrique, torique ou s'apparenter à des surfaces géométriques plus complexes ; - qu'un système dioptrique peut être évalué localement, c'est-à-dire pour une zone réduite de son ouverture de façon à ce que les angles d'incidence des rayons lumineux sur les dioptres et les angles des faisceaux sur l'axe de propagation soient faibles. On peut alors négliger toute quantité du deuxième ordre (ou plus) par rapport aux paramètres angulaires. On dit alors que la marche des rayons lumineux satisfait à l'approximation de Gauss ou que les calculs optiques se font dans le domaine paraxial ; - que, dans cette approximation, il existe, notamment pour un système dioptrique, deux plans principaux parallèles et deux foyers situés sur un axe perpendiculaire aux plans principaux ; que, dans cette approximation et selon l'espace dans lequel ils évoluent, les plans principaux et les foyers sont qualifiés de plans et foyers objets ou images ; les plans principaux et les foyers étant conjugués les uns des autres dans le système dioptrique auxquels ils appartiennent ; - que, dans cette approximation et après avoir choisi le sens de propagation de la lumière comme sens positif, la distance focale d'une zone éclairée d'un système dioptrique plongé dans un même milieu, l'air en l'occurrence, est mesurée algébriquement par la plus petite distance algébrique comprise entre le plan principal image et le foyer image ou entre le foyer objet et le plan principal objet ; une focale positive indiquant la convergence et une focale négative indiquant une divergence du système ; - que, selon les zones d'éclairement choisies, la position et l'éloignement des plans principaux et des foyers peuvent varier, on parle alors de systèmes dioptriques multifocales, que, pour une zone éclairée et étendue, les foyers peuvent être déformés par des aberrations géométriques ou chromatiques. Lors d'observation d'aberrations géométriques, on quitte alors le domaine paraxial et l'approximation de Gauss. Les mesures des distances focales de l'invention sont couramment faites dans l'approximation de Gauss, condition qui impose souvent une zone éclairée réduite dans l'ouverture totale disponible du système. Dans l'approximation de Gauss, l'altération des mesures par les aberrations reste totalement négligeable, - qu'un analyseur de faisceau a pour fonction principale d'analyser la surface d'onde d'un faisceau en mesurant une quantité liée aux gradients et/ou à la courbure locale de la phase de l'onde. Les analyseurs actuels sont répartis en deux classes ; les analyseurs les moins performants utilisent une grille de trous ou un réseau de microlentilles et une caméra CCD, pour mettre en oeuvre les techniques dites de Hartmann et de Shack-Hartmann. Une présentation de ces techniques est faite sur le site internet suivant : www.institutoptique.fr/telecharqement/presentation shack hartmann.ppt Les analyseurs les plus performants utilisent un réseau de phase et d'amplitude et une caméra CCD. Ces derniers utilisent la technologie de l'interférométrie à décalage et offrent une précision inégalée dans la mesure de la phase d'une onde. Une présentation de la technologie de l'interférométrie à décalage est faite sur le site internet suivant : www.phasics.fr/fr/technoloqies.php La présente invention a pour premier but d'offrir un procédé pour la mesure précise de distances focales d'un système dioptrique quelconque. La présente invention a également pour but de fournir un dispositif de mesure de distances focales d'un système dioptrique, de composition 2933188 -4- simple, ne nécessitant pas d'étude complexe pour sa réalisation et sa mise au point. L'invention a également pour but de fournir un procédé et un dispositif pour lesquels les critères de reproductibilité et de répétabilité 5 répondent aux définitions de la norme internationale ISO 11972-2. Les caractéristiques et les avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés, sur lesquels : 10 - la figure 1 présente l'environnement physique et les propriétés optiques qui définissent le procédé de la mesure ; la figure 2 présente le dispositif selon un mode de réalisation. L'invention offre tout d'abord un procédé pour la mesure de distances 15 focales d'un système dioptrique. La figure 1 illustre le procédé de mesure pour un système dioptrique épais convergent représenté par ses plans principaux H et H' dont des traces O et O' sont sur l'axe de propagation de la lumière. Le faisceau incident, représenté par un rayon incident Fi, est issu d'une source de 20 lumière, placée au foyer d'un collimateur. Il traverse le plan M composé par exemple, d'une mire � créneau � de période p qui ne laisse passer que la moitié de la lumière. Dans le champ proche de la mire, la modulation du faisceau est fortement contrastée. Une représentation projetée de cette mire est schématisée sur la figure 1. 25 Le faisceau émergent représenté par le rayon Fe, a une ouverture numérique compatible avec le domaine paraxial et couvre au minimum toute la pupille d'entrée P de l'analyseur de faisceau. Dans le cas le plus général, le plan image de la mire est réel ou virtuel selon la nature du système dioptrique mais sa position n'est pas recherchée dans le 30 procédé. Le plan de l'analyseur de faisceau enregistre une modulation du faisceau émergent sous un contraste réduit dont la période est p'. Une représentation projetée de cette modulation est schématisée sur la figure 1. La période p' est comparée à la période p de la mire. Les extensions transversales y et y' du faisceau sur les plans principaux et 2933188 -5 sur le plan du détecteur sont dans le même rapport d'homothétie que les deux périodes p et p'. Par application du théorème de Thalès, la distance focale f est égale au rapport d'homothétie p/p' multiplié par la valeur algébrique du rayon de courbure r de l'onde émergente mesurée 5 par l'analyseur de faisceau. En résumé, le procédé est caractérisé par les opérations suivantes : a) on constitue, à l'aide d'une source de lumière et un collimateur, un faisceau de lumière globalement parallèle dont on contrôle l'extension transversale par un calibre mécanique, 10 b) on prévoit de positionner dans le faisceau de lumière collimaté, une mire périodique semi-transparente dont la forme et la période p sont choisies selon la nature, notamment sphérique, asphérique, cylindrique, ou torique du système dioptrique à évaluer, 15 c) on applique tout ou partie du faisceau de lumière venant de la mire dans une zone du système dioptrique à évaluer, en s'assurant que la valeur de l'ouverture numérique du faisceau émergent rende compatibles les approximations du domaine paraxial, 20 d) on observe le faisceau émergent du système dioptrique avec un analyseur de faisceau mobile selon l'axe de propagation de la lumière, de façon à ce qu'il couvre au minimum, la pupille d'entrée de l'analyseur, e) on mesure à l'aide de l'analyseur de faisceau d'une part, la 25 période p' du flux lumineux émergent et d'autre part, la valeur algébrique du rayon de courbure r de l'onde émergente (positif ou négatif selon la nature divergente ou convergente de l'onde), f) on déduit de ces mesures la valeur de la distance focale f dans la zone éclairée du système dioptrique, valeur formée par le rapport 30 d'homothétie p/p' multiplié par r. Le procédé utilise la mesure d'un rapport d'homothétie entre la période de la mire et la période de modulation du faisceau émergent dans un quelconque plan de l'espace image pourvu qu'il couvre au minimum, la pupille d'entrée de l'analyseur. Ainsi, le procédé est caractérisé en ce qu'il n'utilise aucune imagerie. En effet, l'image de la mire peut être réelle ou virtuelle, proche ou éloignée du plan d'observation de l'analyseur. Le contraste de la modulation du faisceau observé reste toujours suffisant pour assurer une mesure précise de la période de modulation. Un autre avantage annexe au procédé consiste à analyser le faisceau émergent sur toute l'ouverture du système de façon à en apprécier la totalité de la surface d'onde et à en mesurer les éventuelles aberrations. L'invention offre également un dispositif pour la mesure de distances focales d'un système dioptrique. La figure 2 illustre plus en détail un mode de réalisation du dispositif. La source de lumière (non schématisée sur la figure) est acheminée par une fibre optique 1 dont l'extrémité est placée au foyer objet d'un collimateur 2. Le faisceau qui émerge du collimateur est globalement parallèle et son extension transversale est limitée par un calibre 3 ajustable et couramment circulaire. Couramment, la source de lumière est une LED ou un émetteur laser du commerce. La mire périodique 4 est un modulateur passif de flux à fort contraste. La forme et la période de la mire sont choisies selon la nature du système optique de façon à faciliter la mesure et la précision de celle-ci. Ainsi, une mire � créneau � constituée de fentes périodiques sera adaptée à la mesure de focale d'une lentille cylindrique en prenant soin d'orienter la mire correctement par rapport à la lentille. Le système dioptrique 6 à évaluer est positionné sur un plateau 5 qui possède un diaphragme 7 ajustable et mobile selon deux mouvements de translation placés dans un plan perpendiculaire au faisceau de lumière. Ce diaphragme permet de limiter l'éclairage du faisceau sur une zone particulière du système en limitant l'ouverture numérique dans laquelle la distance focale sera mesurée. On reste ainsi dans le domaine paraxial. Cette facilité permet également la mesure de la distance focale de zone à zone pour déterminer toutes les éventuelles distantes focales du système. L'analyseur de faisceau 8 possède au minimum un mouvement de translation parallèle à l'axe de propagation de la lumière, mais plus généralement, des mouvements de translation et de rotation assurent une bonne couverture du faisceau sur sa pupille d'entrée. Cet analyseur de faisceau a une double fonction : il relève simultanément, dans une position donnée, la période de modulation du faisceau émergent et la valeur algébrique du rayon de courbure de l'onde associée. L'analyseur est relié à un ordinateur 9 équipé des algorithmes d'évaluation du front d'onde pour en extraire la valeur algébrique du rayon de courbure de l'onde émergente, et d'un logiciel qui permet le calcul de la période de modulation du faisceau et le calcul de la valeur de la distance focale du système dioptrique. Une variante du dispositif consiste à ce que le diaphragme 7 soit supprimé ou totalement ouvert de façon à éclairer une zone étendue du système, le faisceau émergent débordant largement sur la pupille d'entrée de l'analyseur 8, l'ouverture numérique du faisceau analysé est alors fixée par la pupille de l'analyseur. Le dispositif peut employer un analyseur de faisceau utilisant la technique du Shack-Hartmann ou de Hartmann. Les performances du dispositif sont alors fortement dépendantes du réseau de microlentilles ou de la grille de trous. Le dispositif peut employer un analyseur de faisceau utilisant la technologie de l'interférométrie à décalage. Les performances sont excellentes et satisfont au critère de la norme ISO 11979-2. Le dispositif testé avec un analyseur de faisceau utilisant la technologie de l'interférométrie à décalage fabriqué par la Société Phasics (www.phasics.fr) fournit, pour un échantillon commercial de lentille épaisse des valeurs d'évaluation de mesure de focale comparables à celles fournies, pour le même échantillon, par la méthode de mesure préconisée par la norme ISO 11979-2 ; le tableau suivant compare les résultats sachant que critères de mesure des écarts-type de répétabilité et de reproductibilité sont mesurés selon la norme. 2933188 -8 Norme Invention Lentille Valeur moyenne de f (mm) 14.98 14.91 biconvexe de Ecart-type répétabilité (mm) 0.05 0.06 + 66,6 Ecart-type reproductibilité (mm) 0.18 0.04 dioptries Erreur relative (%) 1.23 0.25 En résumé, le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte : 5 un générateur de faisceau lumineux collimaté et calibré comprenant une source de lumière (LED ou émetteur laser) acheminée par une fibre optique 1, un collimateur 2 et un calibre 3 permettant d'ajuster l'extension transversale du faisceau lumineux, 10 - une mire 4 périodique semi-transparente modulant le faisceau incident selon une période fixe avec un fort contraste, un support mécanique 5 destiné à recevoir le système dioptrique 6 à évaluer et éventuellement un diaphragme 7 réglable muni de deux mouvements de translation permettant de choisir la zone 15 d'éclairage sur le système, un analyseur de faisceau 8 mobile en translation et orientable en position mesurant la modulation périodique du faisceau et la valeur algébrique du rayon de courbure de l'onde émergente, - un ordinateur 9 équipé d'algorithmes d'évaluation du front d'onde 20 et d'un logiciel de calcul de la période de modulation du faisceau émergent, fournissant la valeur de la distance focale du système dioptrique dans le domaine paraxial. Le dispositif est principalement adapté à la mesure de distances focales pour des applications métrologiques, notamment dans les 25 domaines de l'ophtalmologie et de l'instrumentation scientifique ou industrielle. REVENDICATIONS1. Procédé pour la mesure de distances focales d'un système dioptrique quelconque, caractérisé par les opérations suivantes : a) on constitue, à l'aide d'une source de lumière et un collimateur, un faisceau de lumière globalement parallèle dont on contrôle l'extension transversale par un calibre mécanique, b) on prévoit de positionner dans le faisceau de lumière collimaté, une mire périodique semi-transparente dont la forme et la période p sont choisies selon la nature, notamment sphérique, asphérique, cylindrique, ou torique du système dioptrique à évaluer, c) on applique tout ou partie du faisceau de lumière venant de la mire dans une zone du système dioptrique à évaluer, en s'assurant que la valeur de l'ouverture numérique du faisceau émergent rende compatibles les approximations du domaine paraxial, d) on observe le faisceau émergent du système dioptrique avec un analyseur de faisceau mobile selon l'axe de propagation de la lumière, de façon à ce qu'il couvre au minimum, la pupille d'entrée de l'analyseur, e) on mesure à l'aide de l'analyseur de faisceau d'une part, la période p' du flux lumineux émergent et d'autre part, la valeur algébrique du rayon de courbure r de l'onde émergente (positif ou négatif selon la nature divergente ou convergente du faisceau), f) on déduit de ces mesures la valeur de la distance focale f dans la zone éclairée du système dioptrique, valeur formée par le rapport d'homothétie p/p' multiplié par r. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il n'utilise aucune imagerie. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise la mesure d'un rapport d'homothétie entre la période de la mire et la période de modulation d'un faisceau émergent dans un quelconque plan de l'espace image pourvu qu'il couvre au minimum, la pupille d'entrée de l'analyseur. 2933188 REVENDICATIONS 4. Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il analyse un faisceau sur toute l'ouverture du système de façon à en apprécier la totalité de la surface d'onde et à mesurer les éventuelles aberrations. 5 5. Dispositif pour la mesure de distances focales d'un système dioptrique quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte : - un générateur de faisceau lumineux collimaté et calibré comprenant une source de lumière (LED ou émetteur laser), acheminée par une fibre optique 1, un collimateur 2 et un calibre 10 3 permettant d'ajuster l'extension transversale du faisceau lumineux, - une mire 4 périodique semi-transparente modulant le faisceau incident selon une période fixe avec un fort contraste, - un support mécanique 5 destiné à recevoir le système 15 dioptrique 6 à évaluer et éventuellement un diaphragme 7 réglable muni de deux mouvements de translation permettant de choisir la zone d'éclairage sur le système, un analyseur de faisceau 8 mobile en translation et orientable en position mesurant la modulation périodique du 20 faisceau et la valeur algébrique du rayon de courbure de l'onde émergente, - un ordinateur 9 équiper d'algorithmes d'évaluation du front d'onde et d'un logiciel de calcul de la période de la modulation du faisceau émergent, fournissant la valeur de la distance focale du 25 système dioptrique dans le domaine paraxial. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diaphragme 7 soit totalement ouvert de façon à éclairer une zone étendue du système, le faisceau émergent débordant largement sur la pupille d'entrée de l'analyseur 8, l'ouverture numérique du 30 faisceau analysé étant fixée par la pupille de l'analyseur. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il peut employer un analyseur de faisceau utilisant la technique du Shack-Hartmann. 2933188 REVENDICATIONS 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il peut employer un analyseur de faisceau utilisant la technologie de l'interférométrie à décalage. 9. Dispositif selon les revendications 5, 6 et 8, caractérisé en 5 ce qu'il fournit, avec un analyseur de faisceau utilisant la technologie de l'interférométrie à décalage, pour un échantillon commercial de lentille épaisse, des valeurs d'évaluation de mesure de focale comparables à celles fournies, pour le même échantillon, par la méthode de mesure préconisée par la norme 10 ISO 11979-2 ; 10. Dispositif selon les revendications 5, 6, 7 et 8 caractérisé en ce qu'il est principalement adapté à la mesure de distances focales pour des applications métrologiques, notamment dans les domaines de l'ophtalmologie et de l'instrumentation scientifique et 15 industrielle.