FR2564198A1 - Dispositif d'analyse et de correction de surfaces d'onde en temps reel - Google Patents

Abstract

SYSTEME OPTIQUE D'ANALYSE ET DE CORRECTION DE FRONTS D'ONDE COMPRENANT UN MIROIR DEFORMABLE DE CORRECTION DE FRONTS D'ONDE ET UN SYSTEME D'ANALYSE ET DE DETECTION DE DISTORSION DE PHASE, UN INTERFEROMETRE A DEDOUBLEMENT LATERAL CONSTITUANT LE SYSTEME D'ANALYSE, RECEVANT LE FRONT D'ONDE A ANALYSER ET LE DEDOUBLANT ET DEDUISANT DES DEUX FRONTS D'ONDE VOISINS OBTENUS DES SIGNAUX POUR COMMANDER LA DEFORMATION DUDIT MIROIR DEFORMABLE, CARACTERISE EN CE QUE CET INTERFEROMETRE A DEDOUBLEMENT LATERAL EST UN INTERFEROMETRE FORME DE DEUX DIEDRES A 90 REFLECHISSANTS 201 ET 202 DONT LES BISSECTRICES SE COUPENT AU CENTRE DE L'INTERFEROMETRE, EN CE QUE L'UN DES DIEDRES 202 PEUT ETRE DEPLACE D'UNE DISTANCE PREDETERMINEE PARALLELEMENT AU PLAN BISSECTEUR DE L'AUTRE ET QUE L'AUTRE DIEDRE 201 EST DEPLACE CYCLIQUEMENT PARALLELEMENT PAR RAPPORT A SON PROPRE PLAN BISSECTEUR.

Description

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DISPOSITIF D'ANALYSE ET DE CORRECTION DE SURFACES D'ONDE

EN TEMPS REEL

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 cisaillement ou dédoublement latéral 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 mosa!que 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

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2 - onde conjuguée de l'onde recue 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 connatt notamment par le brevet US-A-3923400 des systèmes optiques pour former 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 différences 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 rôle de l'interféromètre à dédoublement latéral est de dédoubler le front d'onde pour mesurer la différence de phase A 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.

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Dans le brevet précité, l'interféromètre à cisaillement latéral est formé par un réseau optique créant deux c6nes 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 -1 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 P (x-Ax) - < (x) sont identiques, c'est-à-dire si l'onde est

localement plane, ce qui est une restriction a priori gênante.

Conformément à l'invention, l'interféromètre à dédoublement latéral est un interféromètre à dièdres décalés. Le décalage du front d'onde résulte du décalage de l'un des diedres. En chaque point du plan d'interférence interfèrent deux points du front d'onde et deux seulement. La modulation de la figure d'interférence est obtenue en faisant osciller en dent de scie l'un des dièdres,

l'amplitude de l'oscillation étant de préférence de À/4.

Le système d'analyse de front d'onde de l'invention ne présente pas d'ordres supérieurs de diffraction et ne fait interférer que deux ondes. La figure de diffraction est simplifiée

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-4- et le rendement optique est amélioré. Il n'est pas nécessaire de supposer que l'onde est localement plane. Quelle que soit sa forme, on ne mesure que P (x+Ax) - ' (x). Le décalage latéral est

facilement réglable.

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. 2 représente l'interféromètre à dièdres de l'invention; - la Fig. 3 représente plus précisément cet interféromètre à dièdres traversé par un seul faisceau d'analyse; - la Fig. 4 représente un exemple de la position des actuateurs dans la pupille; et - la Fig. 5 représente un exemple correspondant à la Fig. 4, 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 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 11 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'atmosphère ou les aberrations du système optique.

Dans la Fig. 1, le télescope est utilisé comme instrument optique à réfraction mais bien entendu, lTart antélieur 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

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-5- 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 cisaillement qui, dans le brevet américain précité, est un interféromètre à dédoublement à

réseau de diffraction.

L'invention concerne un nouvel interféromètre utilisé comme

détecteur de distorsion de phase 20.

L'interféromètre à dédoublement latéral de la Fig. 2 comprend deux dièdres réflecteurs 201 et 202 ayant une ouverture de 90 et dont les arêtes sont parallèles. Le faisceau en provenance du télescope tombe sur le séparateur 203 o il est séparé en deux faisceaux parallèles 204 en x et 205 en y situés respectivement de part et d'autre d'une ligne de séparation 206 passant par l'arête du dièdre 202. Le faisceau 205 traverse un prisme de Wollaston 207

à 45 , qui fait tourner l'image de 90 autour de l'axe du faisceau.

Les deux faisceaux 204 et 205 tombent sur un séparateur 208 qui sépare chaque faisceau en deux faisceaux 204' et 204", 205' et 205" qui sont réfléchis respectivement par les deux dièdres 201 et 202 et sont recombinés pour interférer dans le plan d'interférence 210. Le dièdre 201 est rendu vibrant par une cale piézoélectrique 211 pilotée par un générateur à courant alternatif 212 à haute tension. La fréquence de la haute tension est par exemple de Hz. Si l'on désigne par p (x) et par p (x+Ax) les phases des vibrations qui interfèrent et par A p (x, Ax) = p (x+Ax) - r (x) leur différence de phase, l'intensité maximale des franges est lej W(x+Ax) + e-j (x) I 2 = (ej (x+Ax) + e-j < (x)) x (e-j p (x+Ax) + ej (x)) -6

= 2 [1 + cosA à (x, Ax)].

Si le dièdre oscille à la fréquence w/2w, l'intensité lumineuse au point x est: [1 + cos (ut + A (P(x, Ax)] On obtient donc au point d'abscisse x un signal possédant une composante modulée dont le déphasage par rapport à l'excitation est

égal à la différence de phase cherchée.

Le dièdre 402 est supporté par une platine de translation 213 et sa position est réglée par une vis micrométrique 214. Ce réglage détermine les dimensions Ax et Ay de la zone de recouvrement des deux fronts d'onde. A titre d'exemple, on prend pour Ax et Ay

quelques dixièmes de millimètre.

En variante, le prisme de Wollaston est supprimé. L'analyse en y est effectuée par un second interféromètre identique comprenant deux autres diedres réflecteurs agencés come les dièdres 201 et 202, les arêtes du second interféromètre étant perpendiculaires à

celles du premier.

La Fig. 4 représente la disposition des 21 actuateurs 51 du

miroir déformable.

La Fig. 5 représente la disposition des 16 photodétecteurs 52 de mesure du déphasage en x et la disposition (indiquée) 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.

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RE V E N D I C A T IONS

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 i0 un interféromètre formé de deux dièdres à 90 réfléchissants (201 et 202) dont les bissectrices se coupent au centre de l'interféromètre, en ce que l'un des dièdres (202) peut être déplacé d'une distance prédéterminée parallèlement au plan bissecteur de l'autre et que l'autre dièdre (201) est déplacé cycliquement parallèlement par rapport à son propre plan bissecteur. 2 - Interféromètre à dièdres conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le dièdre déplacé cycliquement est solidaire d'une cale piézoélectrique (211) pilotée par un courant alternatif

à haute tension.

3 - Interféromètre à dièdres conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les dièdres de l'interféromètre reçoivent deux faisceaux parallèles dans des zones différentes de leurs surfaces réfléchissantes, l'un des faisceaux étant un faisceau direct et l'autre faisceau ayant subi une rotation de 90 autour de

son axe.

4 - Interféromètre à dièdres conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles identiques de deux

dièdres (201-202) dont les arêtes sont perpendiculaires.