FR3062476A1

FR3062476A1 - Methode d'evaluation de la qualite de la mesure d'un front d'onde et systemes mettant en œuvre une telle methode

Info

Publication number: FR3062476A1
Application number: FR1750684A
Authority: FR
Inventors: Xavier Levecq
Original assignee: Imagine Optic SA
Current assignee: Imagine Optic SA
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: JP2020506384A; US20190391020A1; EP3574295A1; FR3062476B1; WO2018138269A1; US11047741B2; CN110546470B; CN110546470A; JP7149948B2

Abstract

La présente description concerne selon un aspect une méthode d'évaluation de la qualité de la mesure d'un front d'onde optique, ladite mesure étant obtenue au moyen d'un analyseur de front d'onde par mesure directe, la méthode comprenant : - l'acquisition (10) d'un signal optoélectronique pour la mesure du front d'onde au moyen d'un senseur de front d'onde, ledit senseur comprenant un détecteur bidimensionnel ; - la détermination (11) à partir dudit signal optoélectronique d'un paramètre caractéristique d'une composante parasite du signal optoélectronique ; - l'évaluation (12) d'un facteur de qualité de la mesure du front d'onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal ; - l'affichage (13) d'un niveau de qualité de la mesure à destination d'un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.

Description

Titulaire(s) :

IMAGINE OPTIC Société anonyme.

O Demande(s) d’extension :

® Mandataire(s) : CABINET OSHA ET ASSOCIES.

® METHODE D'EVALUATION DE LA QUALITE DE LA MESURE D'UN FRONT D'ONDE ET SYSTEMES METTANT EN OEUVRE UNE TELLE METHODE.

FR 3 062 476 - A1 (5J) La présente description concerne selon un aspect une méthode d'évaluation de la qualité de la mesure d'un front d'onde optique, ladite mesure étant obtenue au moyen d'un analyseur de front d'onde par mesure directe, la méthode comprenant:

- l'acquisition (10) d'un signal optoélectronique pour la mesure du front d'onde au moyen d'un senseur de front d'onde, ledit senseur comprenant un détecteur bidimensionnel;

- la détermination (11) à partir dudit signal optoélectronique d'un paramètre caractéristique d'une composante parasite du signal optoélectronique;

- l'évaluation (12) d'un facteur de qualité de la mesure du front d'onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal;

- l'affichage (13) d'un niveau de qualité de la mesure à destination d'un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.

Acquisition au moyen d'un détecteur bidimensionnel d'un signal optoélectronique pour la mesure du front d'onde

Affichage d'un niveau de qualité en fonction dudit facteur de qualité

MÉTHODE D’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE LA MESURE D’UN

FRONT D’ONDE ET SYSTÈMES METTANT EN ŒUVRE UNE TELLE MÉTHODE

ÉTAT DE L’ART

Domaine technique de l’invention

La présente description concerne une méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique, et plus précisément la mesure d’un front d’onde obtenue au moyen d’un analyseur de front d’onde par mesure directe. La présente description concerne également des systèmes d’analyse de front d’onde par mesure directe du front d’onde mettant en œuvre une telle méthode.

Etat de l’art

L’analyse de la phase d’un front d’onde optique (appelée simplement dans la présente description « analyse (ou mesure) d’un front d’onde optique ») présente de nombreuses applications ; par exemple, la qualification de sources lumineuses (sources laser, diodes laser, LED) ou de composants optiques réfractifs ou réflectifs, tels que les objectifs de formation d’image, les miroirs, les filtres, les hublots, etc.; ou encore le contrôle de composants optiques déformables, par exemple les miroirs déformables, les valves à cristaux liquides, lentilles liquides et plus généralement tout modulateur de phase utilisé en optique active, optique adaptative ou pour la mise en forme de faisceau (« beam shaping »).

Notamment, on connaît des techniques d’analyse de front d’onde par mesure directe du front d’onde (par opposition à des techniques interférométriques utilisant l’interférence du front d’onde à analyser avec un front d’onde de référence) ; les techniques d’analyse de front d’onde par mesure directe permettent la détermination des pentes locales du front d’onde (c'est-à-dire les dérivées premières du front d’onde) et sont généralement basées sur une analyse de la variation de l’angle du trajet de rayons lumineux à l’aide d’un senseur de front d’onde comprenant un ensemble d’un ou plusieurs éléments optiques et un détecteur généralement bidimensionnel.

Ainsi, parmi les techniques d’analyse de front d’onde par mesure directe, on peut citer par exemple et de façon non exhaustive, les techniques dites Hartmann et Shack Hartmann, l’interférométrie par décalage latérale, la déflectométrie par image de moiré, la méthode de Schlieren, etc. Une description sommaire de ces techniques est rappelée ci-dessous.

Dans les techniques dites Hartmann et Shack Hartmann, le senseur de front d’onde comprend une matrice de trous ou de microlentilles positionné devant un détecteur, en général bidimensionnel, à une distance typiquement de quelques millimètres. Selon cette technique, un réseau de taches est formé sur le détecteur par la matrice de trous ou de microlentilles. Les mesures des déplacements de chacune de ces taches par rapport à des positions de référence en présence d’un front d’onde plan sans aberrations sont directement proportionnelles aux pentes locales du front d’onde mesuré, c'est-à-dire directement proportionnelles à la dérivée des aberrations présentes sur le front d’onde mesuré. Le coefficient de proportionnalité est égal à la distance séparant la matrice de trous ou de micro lentilles du détecteur. L’intégration numérique de ces pentes locales permet d’obtenir la phase du front d’onde mesuré (voir par exemple “Principles and History of Shack-Hartmann », Journal of Refractive Surgery Volume 17 September/October 2001).

L’interférométrie par décalage latérale est par exemple décrite dans le brevet US6577403. Selon cette technique, plusieurs ondes « filles » sont générées selon des axes de propagation différents à partir d’un réseau de diffraction éclairé par une onde « mère » et interfèrent après propagation ; la figure d’interférence est enregistrée par un détecteur bidimensionnel situé par exemple à quelques millimètres derrière le réseau de diffraction. Les déformations de la figure d’interférences sont proportionnelles aux pentes locales du front d’onde analysé. L’analyse de ces déformations permet de calculer les pentes locales du front d’onde et d’obtenir, par intégration, la phase du front d’onde.

Dans la technique dite de déflectométrie par image de moiré (voir par exemple US20100310130), le senseur de front d’onde comprend un réseau de motifs d’intensités variables éclairé par une onde issue d’une source présentant une bonne cohérente spatiale ; ces motifs sont déformés lors du passage de l’onde lumineuse dans l’élément optique à contrôler; les déformations sont enregistrées sur un détecteur bidimensionnel placé dans un plan conjugué du réseau de motifs d’intensités variables. L’analyse de ces déformations permet de remonter aux déflections qu’ont subies les rayons lumineux lors de la traversée de l’élément optique à contrôler ; ces déflections sont les pentes locales du front d’onde qui représentent des dérivées locales des aberrations optiques introduites par l’élément optique à contrôler. Le front d’onde est calculé en intégrant les pentes locales ainsi mesurées.

Dans la méthode de Schlieren (voir par exemple la demande de brevet US 20050036153), le front d’onde, après avoir traversé l’élément optique à mesurer, est focalisé dans un plan de focalisation où se trouve une lame à densité optique variable spatialement. Les positions des rayons dans le plan de focalisation étant directement proportionnelles à la déviation angulaire qu’ils ont subie lors de la traversée de l’élément optique à mesurer, ils subissent un encodage en intensité lors de la traversée de la lame à densité variable. Ces rayons sont alors imagés sur un détecteur placé dans un plan conjugué de l’objet à mesurer. Le niveau de signal sur chaque pixel révèle l’atténuation qu’a subie le rayon incident sur ce pixel ce qui permet de connaître la déviation angulaire que ce rayon a subie lors de la traversée de l’élément optique à mesurer. La carte de niveau de signal acquise par le détecteur bidimensionnelle permet donc de remontée aux pentes locales du front d’onde lors de la traversée de l’élément optique à contrôler.

Les techniques d’analyse de front d’onde par mesure directe du front d’onde sont très largement employées, notamment pour la caractérisation de composants optiques, car elles sont généralement plus simples à mettre en œuvre que les techniques interférométriques (pas d’utilisation d’un front d’onde de référence) et permettent également la caractérisation des fronts d’onde issus de sources lumineuses. Elles permettent par ailleurs l’analyse de fronts d’onde présentant des déformations de plus forte amplitude.

Dans la mise en œuvre de ces techniques cependant, la justesse de la mesure du front d’onde obtenue est difficilement vérifiable par un utilisateur. En effet, les conditions de mise en œuvre du système d’analyse peuvent perturber la mesure du front d’onde sans que cela soit facilement détectable par l’utilisateur. Ainsi par exemple, une source lumineuse parasite, qu’elle soit étendue ou ponctuelle, une réflexion parasite sur un dioptre d’un composant optique à analyser ou la présence d’interférences parasites, peuvent introduire un signal parasite sur le détecteur qui peut perturber la mesure des pentes locales du front d’onde et donc dégrader la reconstruction du front d’onde.

Un objet de la présente description est de proposer une méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique obtenue au moyen d’un analyseur de front d’onde par mesure directe, afin de donner à un utilisateur un facteur de qualité de la mesure effectuée, ce qui lui permet d’estimer le niveau de confiance de la mesure et de rétroagir, si nécessaire, sur les conditions de mise en œuvre de l’analyse de front d’onde.

RESUME DE L’INVENTION

Selon un premier aspect, la présente description concerne une méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique, ladite mesure étant obtenue au moyen d’un analyseur de front d’onde par mesure directe, la méthode comprenant les étapes suivantes:

l’acquisition d’un signal optoélectronique pour la mesure du front d’onde au moyen d’un senseur de front d’onde, ledit senseur comprenant un détecteur bidimensionnel ;

la détermination à partir dudit signal optoélectronique d’au moins un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique ;

l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure du front d’onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal ;

l’affichage d’un niveau de qualité de la mesure à destination d’un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.

La méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde ainsi décrite permet de donner à un utilisateur un niveau de confiance dans la mesure effectuée à partir du signal optoélectronique utilisé pour la mesure elle-même. Cela permet d’une part d’avoir un facteur de qualité fiable pour la mesure effectuée, et cela permet d’autre part de ne pas avoir besoin de faire de tests supplémentaires avec un outillage spécifique, comme par exemple des tests de mesure de lumière parasite.

Un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique peut comprendre, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un signal mesuré dans des zones du détecteur bidimensionnel qui ne sont pas couvertes par un signal utile pour la mesure du front d’onde. La détermination d’un tel paramètre pour l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure est par exemple adaptée dans le cas où des sources de signal parasite sont une lumière ambiante, formant sur le détecteur bidimensionnel un signal de fond diffus non uniforme, ou une source lumineuse ponctuelle présentant une bonne cohérence spatiale, etc.

Ainsi, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la détermination à partir du signal optoélectronique d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal peut comprendre les étapes suivantes:

identification de zones du détecteur non couvertes par un signal utile pour la mesure du front d’onde ;

détermination d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal à partir du signal mesuré dans lesdites zones.

Un autre paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique peut comprendre, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un sousensemble des pentes locales brutes du front d’onde formé des pentes locales non intégrables du front d’onde, lesdites pentes locales brutes du front d’onde (ou dérivées premières de la phase du front d’onde) étant déterminées à partir du signal optoélectronique. La déposante a montré en effet que les pentes locales non intégrables, déterminées facilement à partir du signal optoélectronique lui-même, sont caractéristiques d’une composante parasite du signal optoélectronique quelle que soit son origine; leur présence est donc un très bon indicateur de la qualité de la mesure. En particulier, un tel paramètre caractéristique pour l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure est adapté non seulement dans le cas où le signal parasite résulte en un flux lumineux sur le détecteur couvrant aussi des zones en dehors de celles dans lesquelles se trouve le signal utile pour la mesure, mais également dans le cas où le signal parasite se trouve dans les zones dans lesquelles se trouve aussi le signal utile pour la mesure.

Ainsi, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la détermination d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique peut comprendre les étapes suivantes:

le calcul à partir dudit signal optoélectronique d’un ensemble des pentes locales brutes correspondant aux dérivées locales du front d’onde en un nombre donné de points ;

l’intégration desdites pentes locales brutes pour obtenir une reconstruction du front d’onde ;

la dérivation du front d’onde ainsi reconstruit afin de déterminer un premier sousensemble des pentes locales brutes formé des pentes locales intégrables mesurées en chacun desdits points;

- La soustraction en chacun desdits points des pentes locales intégrables aux pentes locales brutes pour obtenir un deuxième sous-ensemble des pentes locales brutes formé des pentes locales non intégrables, ledit paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique étant déterminé à partir dudit deuxième sous-ensemble des pentes locales non intégrables.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le facteur de qualité peut alors être évalué à partir d’une valeur pic-vallée ou d’une valeur de la moyenne quadratique (ou « RMS » selon l’abréviation anglo-saxonne « root mean square ») d’au moins une partie des pentes locales non intégrables.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le facteur de qualité peut également être évalué à partir de la densité spectrale de puissance (ou « DSP ») d’au moins une partie des pentes locales non intégrables, ou d’une combinaison de ces paramètres (RMS et DSP par exemple).

Selon un deuxième aspect, la présente description concerne une méthode d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe du front d’onde, comprenant :

l’acquisition d’un signal optoélectronique au moyen d’un détecteur bidimensionnel pour la mesure du front d’onde ;

la reconstruction du front d’onde à partir dudit signal optoélectronique pour obtenir une mesure du front d’onde;

l’évaluation de la qualité de ladite mesure d’un front d’onde selon une méthode selon le premier aspect.

Selon un troisième aspect, la présente description concerne des systèmes d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe, comprenant :

- un senseur de front d’onde muni d’un détecteur bidimensionnel pour l’acquisition d’un signal optoélectronique permettant la mesure du front d’onde ;

- une unité de traitement du signal optoélectronique pour la reconstruction du front d’onde à partir dudit signal, ladite unité de traitement étant en outre adaptée à :

o la détermination à partir dudit signal optoélectronique d’au moins un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal ;

o l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure du front d’onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal;

- une unité d’affichage d’un niveau de qualité de la mesure à destination d’un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le senseur de front d’onde comprend une matrice de microlentilles positionnée devant un détecteur bidimensionnel et le signal optoélectronique comprend un réseau de taches formées par chacune des microlentilles éclairées par le front d’onde à mesurer.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le senseur de front d’onde comprend une matrice de trous positionnée devant un détecteur bidimensionnel et le signal optoélectronique comprend un réseau de taches formées par chacun des trous éclairés par le front d’onde à mesurer.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le senseur de front d’onde comprend un réseau de phase positionné devant un détecteur bidimensionnel et le signal optoélectronique comprend un réseau de taches formées par la figure résultant de l’interférence des ondes générées par le réseau de phase traversé par le front d’onde à mesurer.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :

- FIG. 1, un schéma illustrant des étapes d’une méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon la présente description;

- FIG. 2, un schéma illustrant un exemple de système d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe selon la présente description ;

- FIG. 3A, un schéma illustrant des étapes d’un premier exemple de méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon la présente description; FIG. 3B, un exemple d’un signal optoélectronique acquis par le détecteur montrant un exemple d’un signal parasite identifié lors d’une étape de la méthode illustrée sur la FIG. 3 A et la FIG. 3C un schéma illustrant une étape de la méthode décrite sur la FIG. 3 A;

- FIG. 4, un schéma illustrant des étapes d’un deuxième exemple de méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon la présente description;

- FIG. 5A, un exemple d’un signal optoélectronique acquis par le détecteur d’un système d’analyse du front d’onde, perturbé par des interférences parasites ; et FIG. 5B le front d’onde après intégration de l’ensemble des pentes locales brutes, elles mêmes calculées par le système d’analyse du front d’onde à partir du signal optoélectronique montré sur la FIG. 5A ;

- FIGS. 6A - 6C des images illustrant respectivement l’ensemble (FIG. 6A) des pentes locales brutes du front d’onde calculées à partir du signal optoélectronique représenté sur la FIG. 5A, l’ensemble (FIG. 6B) des pentes locales intégrables du front d’onde calculées à partir d’une dérivation du front d’onde (représenté sur la FIG. 5B), l’ensemble (6C) des pentes locales non intégrables du front d’onde calculées à partir de la soustraction de l’ensemble des pentes locales intégrables du front d’onde (FIG. 6B) à l’ensemble des pentes locales brutes (FIG. 6A);

- FIGS. 7A-7C, des schémas montrant respectivement la densité spectrale de puissance des pentes locales brutes (FIG. 7A), des pentes locales intégrables (FIG.7B) et de des pentes locales non intégrables (FIG.7C).

Par soucis de cohérence, les éléments identiques sont repérés par les mêmes références dans les différentes figures.

DESCRIPTION DETAILLEE

Les FIGS. 1 et 2 illustrent généralement des étapes d’une méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique ainsi qu’un système d’analyse de front d’onde par mesure directe mettant en œuvre une telle méthode.

Plus précisément, le système d’analyse de front d’onde 20 illustré sur la FIG. 2 comprend un analyseur de front d’onde 21 avec un détecteur bidimensionnel 210 pour l’acquisition d’un signal optoélectronique permettant la mesure du front d’onde et un ensemble d’un ou plusieurs éléments optiques schématisés sous la forme d’un élément unique référencé 211 sur la FIG. 2. Le système d’analyse de front d’onde comprend par ailleurs une unité de traitement 22 adapté au traitement du signal optoélectronique acquis par le détecteur 210 pour la reconstruction du front d’onde à partir dudit signal optoélectronique, et une unité d’affichage 23. L’unité de traitement 22 est par ailleurs adaptée pour la mise en œuvre de la méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde selon la présente description, comme cela est décrit ci-dessous, de telle sorte que lorsque la méthode d’évaluation de la qualité est mise en œuvre, le « facteur de qualité » de la mesure s’affiche sur l’unité d’affichage 23, par exemple sous la forme d’une couleur parmi un code couleur, ou d’un chiffre, etc.

Dans l’exemple de la FIG. 2, le système d’analyse de front d’onde 20 est adapté pour la caractérisation d’un objet OBI qui n’émet pas de lumière lui-même ; Selon un exemple de réalisation, le système d’analyse de front d’onde 20 peut comprendre en outre une source d’éclairage 24 de l’objet. Alternativement, l’objet est éclairé par une source lumineuse externe qui ne fait pas partie du système d’analyse. La mesure peut être réalisée en transmission (cas de la FIG. 2) mais peut aussi être effectuée en réflexion dans le cas de l’analyse d’un système réflectif (par exemple un miroir). L’objet OBI à caractériser est par exemple, et de façon non exhaustive, un composant optique réfractif ou réflectif, tel qu’un objectif de formation d’image, un miroir, un filtre, un hublot, etc.; l’objet OBI peut être également un composant optique déformable, par exemple un miroir déformable, une valve à cristaux liquides, une lentille liquide et plus généralement tout modulateur de phase utilisé en optique active, optique adaptative ou pour la mise en forme de faisceau (« beam shaping »). Dans ce cas, le front d’onde analysé est le front d’onde issu de l’objet éclairé, l’analyse du front d’onde permettant la caractérisation optique de l’objet. La source d’éclairage 24 est par exemple un laser, une diode laser (fibrée ou non), une diode super luminescente (fibrée ou non), une LED (fibrée ou non) ou un trou éclairé par une lampe.

Bien entendu, dans le cas où l’objet à caractériser est une source lumineuse (par exemple une source laser, une diode laser, une diode électroluminescente ou LED), la mise en œuvre de la mesure n’a pas besoin de prévoir une source d’éclairage comme illustré en FIG.

2. Le front d’onde analysé est en effet directement le front d’onde émis par la source lumineuse qui est elle-même l’objet d’analyse.

La FIG. 1 illustre selon un exemple des étapes de la méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde selon la présente description, mise en œuvre par exemple au moyen d’un système d’analyse du front d’onde tel qu’illustré sur la FIG. 2.

La méthode comprend l’acquisition (étape 10) d’un signal optoélectronique au moyen d’un senseur de front d’onde pour la mesure du front d’onde, la détermination (étape 11) à partir du signal optoélectronique d’au moins un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique, l’évaluation (étape 12) d’un facteur de qualité de la mesure du front d’onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal, et l’affichage (étape 13) d’un niveau de qualité déterminé en fonction dudit facteur de qualité, sur une unité d’affichage telle qu’illustré par exemple sur la FIG. 2.

La présente description concerne également une méthode d’analyse d’un front d’onde par mesure directe qui intègre la méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde telle que décrite sur la FIG. 1.

Comme rappelé dans la partie « Etat de l’art », toutes les techniques d’analyse de front d’onde par mesure directe ont pour point commun notamment une mesure des pentes locales du front d’onde que l’on cherche à analyser (c'est-à-dire les dérivées premières de la phase du front d’onde).

Plus précisément, dans la suite de la description, on considérera qu’une pente locale mesurée aux coordonnées (i,j) dans un plan de mesure défini par un repère (x, y) orthonormé peut être décrite par une composante selon l’axe x et une composante selon l’axe y. L’ensemble des pentes locales pourront donc être représentées sous la forme d’un tableau de pentes x (« tabX ») et d’un tableau de pentes y (« tabY »). La pente locale au point de coordonnées (i, j) dans le plan de mesure aura donc comme composante selon l’axe x « tabX(i,j) » et comme composante selon l’axe y « tabY(i,j) ». Dans la suite de la description, les traitements pourront être réalisés à partir du tableau de pentes selon l’axe x et (ou) du tableau des pentes selon l’axe y.

ίο

Pour passer des pentes locales mesurées au front d’onde, une intégration numérique des pentes locales est effectuée. Il existe plusieurs manières d’intégrer numériquement un signal bidimensionnel. Il peut s’agir par exemple d’une intégration dite « zonal » dont une description est présentée dans l’article « Wave-front estimation from wave-front slope measurements » J. Opt. Soc. Am., Vol. 70, No. 8, August 1980.

La méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde peut se faire de façon concomitante à la mesure du front d’onde elle-même, c'est-à-dire de façon concomitante à la reconstruction du front d’onde à partir du signal optoélectronique acquis par le détecteur. Dans ce cas, un utilisateur voit s’afficher en même temps le front d’onde reconstruit et une valeur du facteur de qualité qui donne à l’utilisateur un niveau de confiance dans la mesure réalisée.

La méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde peut se faire également de façon différée par rapport à la mesure du front d’onde elle-même. En effet une fois le signal optoélectronique acquis et sauvegardé, l’utilisateur peut lancer l’évaluation du facteur de qualité n’importe quand après avoir réalisé la mesure du front d’onde, sans limite de temps.

Plusieurs paramètres caractéristiques d’une composante parasite du signal peuvent être déterminés à partir du signal optoélectronique acquis par le détecteur 210 pour évaluer un facteur de qualité de la mesure. La nature du paramètre pourra dépendre du type de signal parasite. Il sera également possible de combiner ces paramètres.

Les FIGS. 3A - 3C d’une part et les FIGS. 4 à 7 d’autre part, illustrent ainsi deux exemples dans lesquels des paramètres différents, tous deux caractéristiques d’une composante parasite du signal, sont identifiés.

La FIG. 3A illustre un premier exemple de méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde selon la présente description, dans laquelle on détecte un signal dans des zones du détecteur bidimensionnel qui ne sont pas couvertes par un signal utile pour la mesure du front d’onde. Un tel paramètre caractéristique pour l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure est adapté notamment dans le cas où des sources de signal parasite sont une lumière ambiante, formant sur le détecteur bidimensionnel un signal de fond diffus non uniforme, ou une source lumineuse ponctuelle présentant une bonne cohérence spatiale, etc.

La méthode telle que décrite sur la FIG. 3A comprend, après l’acquisition (étape 10) d’un signal optoélectronique pour la mesure du front d’onde, une étape 111 d’identification à partir dudit signal optoélectronique de zones non couvertes par le signal utile pour la mesure du front d’onde.

La FIG. 3B représente à titre d’exemple l’image acquise par un détecteur bidimensionnel d’un analyseur de front d’onde de type Shack Hartmann en présence d’un signal parasite diffus dû à la lumière ambiante de la salle où a été réalisée la mesure. Le réseau de taches 31 représente les taches générées par la matrice de microlentilles traversée par le front d’onde à analyser. Ce réseau de taches 31 représente le signal utile. On voit clairement sur cette figure un flux parasite diffus et non uniforme liée à la présence de lumière parasite due à l’éclairage ambiant de la salle. Ce signal est facilement identifiable dans des zones du détecteur bidimensionnel non couvertes par le signal utile (zones référencées 32). La FIG. 3C illustre de façon schématique la zone 31 représentant la tache générée par une microlentille (signal utile) et la zone 32 en dehors de la zone 31.

La méthode d’évaluation de la qualité de la mesure du front d’onde comprend alors la détermination (étape 112) d’une composante parasite à partir du signal optoélectronique mesuré dans des zones qui ne sont pas couvertes par un signal utile pour la mesure du front d’onde et le calcul (étape 121) du facteur de qualité à partir d’au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite.

Par exemple, dans le cas d’un analyseur de type Shack Hartmann, les étapes 111, 112 et 121 peuvent être réalisées de la manière suivante:

- Etape 111 : lors du calcul des pentes locales à partir des taches formées par la matrice de microlentilles, on identifie, sur le signal optoélectronique issu du détecteur, un nombre donné de zones de mesure du signal parasite autour de la tache formée par chaque microlentille. Sur la FIG. 3C, il s’agit par exemple de 4 zones référencées 321, 322, 323, 324.

- Etape 112 : On mesure, pour chacune des taches, la valeur du signal optoélectronique du détecteur matriciel dans les zones de mesure du signal parasite (321, 322, 323, 324) et on en calcule la moyenne. On obtient une carte d’amplitude du flux parasite correspondant au paramètre caractéristique de la composante parasite du signal.

- Etape 121 : le facteur de qualité est calculé par exemple en réalisant la moyenne de la carte d’amplitude du flux parasite obtenue à l’étape 112. Dans cet exemple, plus la valeur du facteur de qualité est élevée, plus la mesure sera déclarée comme perturbée par le signal parasite à un utilisateur.

Selon un autre exemple, toujours dans le cas d’un analyseur de type Shack Hartmann, les étapes 111, 112 et 121 peuvent être réalisées de la manière suivante:

- Etape 111 : lors du calcul des pentes locales à partir des taches formées par la matrice de microlentilles, on identifie, sur le signal optoélectronique issu du détecteur, un nombre donné de zones de mesure du signal parasite (321, 322, 323, 324) autour de la tache (31), par exemple 4 comme dans l’exemple précédent.

- Etape 112 : On mesure, pour chacune des taches, la valeur du signal optoélectronique du détecteur matriciel dans les zones de mesure du signal parasite (321, 322, 323, 324) et on calcule la valeur absolue de la différence des valeurs du signal optoélectronique des zones prises 2 à 2 et on en réalise la moyenne. On obtient alors une carte représentative de la non-uniformité du signal parasite autour du signal utile, cette carte formant le paramètre caractéristique de la composante parasite du signal.

- Etape 121 : le facteur de qualité est calculé en réalisant par exemple la moyenne de la carte de non-uniformité du signal parasite autour du signal utile obtenue à l’étape 121.

Dans cet exemple, plus la valeur facteur de qualité est élevée, plus la mesure est déclarée perturbée par le signal parasite.

Dans tous les cas, un affichage de la « qualité de la mesure » est effectué. Par exemple, on associe un nombre discret de couleurs ou de chiffres à des valeurs calculées du facteur de qualité, en indiquant à l’utilisateur à quoi correspond chaque couleur ou chaque chiffre. Ainsi par exemple, il peut y avoir 5 niveaux du facteur de qualité, correspondant respectivement à une qualité excellente, bonne, moyenne, mauvaise, très mauvaise. En fonction du niveau du facteur de qualité, on peut conseiller à un utilisateur un certain nombre de mesures à prendre pour retrouver de meilleures conditions de mesure. Lorsque le niveau de qualité n’est pas satisfaisant, plusieurs actions d’améliorations peuvent être menées. Par exemple :

- Eliminer la lumière ambiante (éteindre la lumière de la pièce où est réalisée la mesure) Cacher les sources lumineuses parasites susceptibles d’éclairer, même partiellement, le détecteur de l’analyseur de front d’onde. Ces sources lumineuses parasites peuvent être par exemple un écran d’ordinateur, les témoins lumineux « marche-arrêt » des appareils électroniques, une lampe de bureau etc.

Acquérir une image de fond qui sera soustraite des acquisitions réalisées pour mesurer le front d’onde. Une façon d’acquérir une image de fond est d’acquérir une image avec le détecteur de l’analyseur de front d’onde en ayant éteint ou caché la source lumineuse générant le faisceau servant à réaliser la mesure (la source 24 de la FIG.2 par exemple).

Bien que les exemples précédents de calcul et d’affichage du niveau de qualité de la mesure aient été donnés dans le cas particulier d’un analyseur Shack-Hartmann, ils peuvent facilement être transposés à n’importe lequel des analyseurs de front d’onde par mesure du direct du front d’onde.

La FIG. 4 illustre un deuxième exemple de détermination d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal pour évaluer la qualité de la mesure du front d’onde. Dans cet exemple, un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal comprend un sous-ensemble des pentes locales brutes du front d’onde déterminées à partir du signal optoélectronique, formé des pentes locales non intégrables du front d’onde.

La déposante a en effet fait la constatation suivante ; les analyseurs de front d’onde par mesure directe du front d’onde mesurent la dérivée du front d’onde. Ces analyseurs ne peuvent donc mesurer que des fronts d’onde continus, c’est à dire des fronts d’onde dont les pentes locales sont 100% intégrables. L’identification et la quantification des pentes non intégrables dans les pentes locales mesurées est donc un indicateur objectif de la qualité de la mise en œuvre de la mesure de front d’onde. En effet, une mesure de front d’onde réalisée dans les conditions optimales de mise en œuvre doit donner un jeu de pentes non intégrables négligeables voire quasi nul. En revanche, la dégradation liée à signal parasite n’a aucune raison de présenter la propriété d’être intégrable. Elle va donc générer un sous-ensemble de pentes intégrables qui viendra dégrader la mesure de front d’onde et un sous-ensemble de pentes non intégrables dont l’estimation permettra de déterminer un facteur de qualité de la mesure.

A titre d’exemple, la FIG. 5A représente le signal optoélectronique obtenu avec un analyseur de type Shack Hartmann, comprenant 128x128 microlentilles. Cet analyseur mesure la phase d’un front d’onde optique traversant une lame à faces planes et parallèles dont une face possède un traitement semi réfléchissant et l’autre face n’est pas traitée. Le faisceau d’éclairage est monochromatique à une longueur d’onde de 1064 nm et la longueur de cohérence du faisceau d’éclairage est très supérieure à l’épaisseur de la lame. Le signal est donc perturbé par une onde parasite générée par la double réflexion sur les 2 faces de la lame et cette onde parasite vient interférer avec le faisceau ayant traversé la lame. Le contraste de cette interférence est très faible et cette interférence est difficilement discernable sur le signal optoélectronique issu du détecteur matriciel. Cependant l’effet de cette interférence est clairement visible sur le résultat de la mesure du front d’onde (FIG. 5B) et génère une erreur de mesure 2 fois supérieure à la précision de l’analyseur de front d’onde. La FIG. 6A représente la carte des pentes locales brutes calculée à partir du signal optoélectronique illustré que la FIG. 5A. La figure 6B représente la carte des pentes intégrables obtenu par dérivation numérique du front d’onde illsutré sur la FIG.5B et la figure 6C la carte des pentes non intégrables, résultats de la différence entre les pentes locales brutes et les pentes locales intégrables. Les FIG. 6A, B et C sont affichées avec la même échelle pour la représentation des pentes locales. On remarque immédiatement que l’effet des interférences génère des pentes non intégrables d’amplitude significative (du même ordre de grandeur que l’amplitude des pentes intégrables). Pour la simplification de l’affichage des données de pentes locales, nous avons choisi de les afficher sous forme de vecteurs dont la norme et la direction sont calculées à partir des 2 tableaux de pentes selon x et selon y.

Les FIGS. 7A, 7B et 7C représentent respectivement la densité spectrale de puissance (DSP) des pentes locales brutes selon l’axe x (FIG. 7A), des pentes locales intégrables selon l’axe x (FIG. 7B) et des pentes locales non intégrables selon l’axe x (FIG. 7C). Ces figures sont obtenues respectivement à partir du tableau des pentes locales selon l’axe x des pentes brutes, des pentes intégrables et des pentes non intégrables. La densité spectrale de puissance est obtenue en calculant le carré du module de la transformée de Fourier des tableaux des pentes locales selon l’axe x. Le résultat de ce calcul donne un tableau de densité de puissance et chacune des courbes affichées est le résultat de l’intégration du tableau de densité spectrale de puissance pour chaque fréquence spatiale. Le même calcul peut bien sur être réalisé à partir des tableaux de pentes locales selon l’axe y.

Selon un exemple de réalisation, le calcul du facteur de qualité à partir des pentes non intégrables (étape 125 de la FIG. 4) peut être réalisé en calculant simplement par exemple la valeur RMS du tableau des pentes non intégrables selon l’axe x, la valeur RMS du tableau des pentes non intégrables selon l’axe y et en faisant la moyenne des 2 valeurs RMS trouvée. Une valeur plus élevée du facteur de qualité indique une mesure plus perturbée. Bien entendu, le facteur de qualité peut être calculé de bien d’autres manières.

Par exemple, selon un exemple de réalisation, le calcul du facteur de qualité peut prendre en compte le comportement fréquentiel (fréquence spatiale) des pentes locales non intégrables. En effet, l’information que recherche l’utilisateur est une information de front d’onde c'est-à-dire le résultat de l’intégration des pentes locales mesurées. Or l’amplitude de la réinjections des erreurs de pentes locales sur le front d’onde lors de l’intégration dépend de la fréquence spatiale des erreurs de pentes locales : les erreurs de faibles fréquences spatiales génèrent, lors de l’intégration, de fortes erreurs sur le front d’onde alors que les erreurs aux hautes fréquences spatiales génèrent des erreurs sur le front d’onde de faible amplitude. Comme le comportement fréquentiel des erreurs de pentes locales intégrables et celui des pentes locales non intégrables sont similaires, l’étude fréquentielle des pentes non intégrables permet d’affiner la connaissance de l’importance de la dégradation de la mesure de front d’onde. En particulier, un poids prépondérant peu être donner aux faibles fréquences spatiales des pentes non intégrables dans le calcul du facteur de qualité de la mesure. Par exemple le poids peut être l’inverse de la fréquence spatiale, ou l’on peut décider de ne garder pour le calcul du facteur de qualité que les pentes dont la fréquence spatiale est inférieure à une fraction de la fréquence de coupure.

Selon un exemple de réalisation, le calcul du facteur de qualité (Q) réalisé à partir des pentes non intégrables (étape 125 de la FIG. 4) peut être effectué de la façon suivante :

On note DSPix et DSPiy les densités spectrales de puissance (DSP) intégrées telles que celles des FIG7A-7C des pentes non intégrables selon l’axe x et selon l’axe y.

On note fmax la fréquence spatiale maximale jusqu’à laquelle on souhaite prendre en compte le contenu fréquentiel de la DSP. Par exemple, si l’on veut favoriser les basses fréquences spatiales dans le calcul du facteur de qualité, fmax peut être fixée à 1/4 de la fréquence de coupure des DSPix ou DPSiy (dans le cas des figures 7, la fréquence de coupure est égale à 64).

Dans ce cas, le facteur de qualité Q vaut :

_ Σ^Τ DSPix(p) + Σ^Τ DSPiy(p) ^Q ~ 2

Dans cet exemple, on pourra estimer que la qualité de la mesure est excellente si Q est plus petit que 1 et très mauvaise si Q est plus grand que 20.

Selon un autre exemple de réalisation, le calcul du facteur de qualité (Q) réalisé à partir des pentes non intégrables (étape 125 de la FIG. 4) peut être effectué de la façon suivante :

On note DSPix et DSPiy les DSP intégrées telles que celles des FIG7A-7C des pentes locales non intégrables selon l’axe x et selon l’axe y.

On note fc la fréquence de coupure des DSPix ou DPSiy (dans le cas des figures 7, la fréquence de coupure est égale à 64).

Le facteur de qualité Q vaut :

(DSPixÇp)j?} ₊ (DSPiy(p)j?} ^{Q =} 2

Dans cet exemple, on pourra estimer que la qualité de la mesure est excellente si Q est plus petit que 0.25 et très mauvaise si Q est plus grand que 5.

Là encore, l’exemple précédent a été décrit dans le cas d’un analyseur ShackHartmann, mais il peut être transposé à n’importe lequel des analyseurs de front d’onde par mesure du direct du front d’onde.

Comme précédemment, un affichage de la « qualité de la mesure » peut alors être effectué. Par exemple, on associe des couleurs ou des chiffres à des valeurs calculées du facteur de qualité, en indiquant à l’utilisateur à quoi correspond chaque couleur ou chaque chiffre. Ainsi par exemple, il peut y avoir 5 niveaux du facteur de qualité, correspondant respectivement à une qualité excellente, bonne, moyenne, mauvaise, très mauvaise. En fonction du niveau du facteur de qualité, on peut conseiller à un utilisateur un certain nombre de mesures à prendre pour retrouver de meilleures conditions de mesure. Lorsque le niveau de qualité n’est pas satisfaisant, plusieurs actions d’améliorations peuvent être menées. Par exemple :

- Eliminer la lumière ambiante (éteindre la lumière de la pièce où est réalisée la mesure) Cacher les sources lumineuses parasites susceptibles d’éclairer, même partiellement, le détecteur de l’analyseur de front d’onde. Ces sources lumineuses parasites peuvent être, un écran d’ordinateur, les témoins lumineux « marche-arrêt » des appareils électroniques, une lampe de bureau etc.

Acquérir une image de fond qui sera soustraite des acquisitions réalisées pour mesurer le front d’onde. Une façon d’acquérir une image de fond est de d’acquérir une image avec le détecteur de l’analyseur de front d’onde en ayant éteint ou caché la source lumineuse générant le faisceau servant à réaliser la mesure (la source 24 de la FIG.2 par exemple).

- Placer un trou de filtrage des lumières parasites dans un plan de focalisation du faisceau servant à réaliser la mesure s’il existe un tel plan. Cette action est particulièrement utile lors des mesures réalisées « en double passage » dans un système réflectif.

- Diminuer la cohérence temporelle de la source quand cela est possible de façon à diminuer tout risque d’interférences.

On peut bien sûr combiner l’utilisation de plusieurs paramètres caractéristiques de la composante parasite du signal optoélectronique pour calculer le facteur de qualité de la mesure. Par exemple, le facteur de qualité final de la mesure pourrait résulter de la multiplication d’un facteur de qualité calculé en utilisant la méthode décrite en relation avec la FIG. 3 A avec un facteur de qualité calculé en utilisant la méthode décrite en relation avec la FIG. 4.

Bien que décrite à travers un certain nombre d’exemples de réalisation détaillés, la méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique ainsi que les systèmes d’analyse de front d’onde par mesure directe du front d’onde mettant en œuvre une telle méthode, comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui 5 apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art.

En particulier, l’invention a été décrite en prenant l’exemple d’un Shack-Hartmann mais elle peut s’appliquer aussi aux systèmes de type Hartmann, de type interféromètre à décalage latéral, ou plus généralement analyseur de front direct mesurant les pentes locales d’un front d’onde.

Claims

REVENDICATIONS

1. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique, ladite mesure étant obtenue au moyen d’un analyseur de front d’onde par mesure directe, la méthode comprenant :

l’acquisition (10) d’un signal optoélectronique pour la mesure du front d’onde au moyen d’un senseur de front d’onde, ledit senseur comprenant un détecteur bidimensionnel ;

la détermination (11) à partir dudit signal optoélectronique d’au moins un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique ;

l’évaluation (12) d’un facteur de qualité de la mesure du front d’onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal ;

l’affichage (13) d’un niveau de qualité de la mesure à destination d’un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.
2. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon la revendication 1, dans laquelle un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique comprend un sous-ensemble de pentes locales non intégrables du front d’onde.
3. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon la revendication 2, dans laquelle la détermination à partir du signal optoélectronique d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal optoélectronique comprend les étapes suivantes:

le calcul (115) à partir dudit signal optoélectronique d’un ensemble des pentes locales brutes correspondant aux dérivées premières locales du front d’onde en un nombre donné de points ;

l’intégration (116) desdites pentes locales brutes pour obtenir une reconstruction du front d’onde ;

la dérivation (117) du front d’onde ainsi reconstruit afin de déterminer un premier sous-ensemble des pentes locales brutes formé des pentes locales intégrables en chacun desdits points;

- La soustraction (118) en chacun desdits points des pentes locales intégrables aux pentes locales brutes pour obtenir un deuxième sous-ensemble des pentes locales brutes formé des pentes locales non intégrables.
4. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans laquelle le facteur de qualité est évalué à partir d’une valeur pic-vallée ou d’une valeur de la moyenne quadratique (RMS) d’au moins une partie desdites pentes locales non intégrables.
5. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le facteur de qualité est évalué à partir d’une valeur de densité spectrale de puissance (DSP) d’au moins une partie desdites pentes locales non intégrables.
6. Méthode d’évaluation de la qualité de la mesure d’un front d’onde optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la détermination d’un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal comprend les étapes suivantes:

identification (111) de zones (321 - 324) du détecteur non couvertes par un signal utile pour la mesure du front d’onde ;

détermination (112) du paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal à partir du signal mesuré dans lesdites zones.
7. Méthode d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe du front d’onde, comprenant :

l’acquisition d’un signal optoélectronique au moyen d’un détecteur bidimensionnel pour la mesure du front d’onde ;

la reconstruction du front d’onde à partir dudit signal optoélectronique pour obtenir une mesure du front d’onde;

l’évaluation d’un facteur de qualité de ladite mesure du front d’onde selon l’une quelconque des revendications précédentes et l’affichage d’un niveau de qualité à destination de l’utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.
8. Système (20) d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe, comprenant :

- un senseur de front d’onde (21) muni d’un détecteur bidimensionnel (210) pour l’acquisition d’un signal optoélectronique permettant la mesure du front d’onde ;

- une unité de traitement (22) du signal optoélectronique pour la reconstruction du front d’onde à partir dudit signal, ladite unité de traitement étant en outre adaptée à :

o la détermination à partir dudit signal optoélectronique d’au moins un paramètre caractéristique d’une composante parasite du signal ;

o l’évaluation d’un facteur de qualité de la mesure du front d’onde en fonction dudit au moins un paramètre caractéristique de la composante parasite du signal;

- une unité d’affichage (23) d’un niveau de qualité de la mesure à destination d’un utilisateur en fonction dudit facteur de qualité.
9. Système d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe selon la revendication 8, dans lequel le senseur de front d’onde comprend une matrice de microlentilles, respectivement de trous, positionnée devant un détecteur bidimensionnel et le signal optoélectronique comprend un réseau de taches formées par chacune des microlentilles, respectivement des trous, éclairées par le front d’onde à mesurer.
10. Système d’analyse d’un front d’onde optique par mesure directe selon la revendication 8, dans lequel le senseur de front d’onde comprend un réseau de phase positionné devant un détecteur bidimensionnel et le signal optoélectronique comprend un réseau de taches formées par la figure résultant de l’interférence des ondes générées par le réseau de phase traversé par le front d’onde à mesurer.

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