Introduction aux optiques adaptatives et aux miroirs déformables

Comprendre les fronts d'onde | Éléments et systèmes optiques adaptatifs | Paramètres clés | Applications

Dans les systèmes optiques, le mauvais alignement des composants, les imperfections des éléments ou les aberrations peuvent réduire les performances en interne, tandis que la chaleur et l'atmosphère peuvent réduire les performances en externe. Bien qu'une conception minutieuse d'un système optique puisse réduire ces problèmes, les pertes de performances peuvent être trop importantes pour être résolues par les méthodes conventionnelles. Par exemple, en astrophotographie, domaine dans lequel il est difficile de contrôler les facteurs externes tels que les perturbations atmosphériques, des méthodes actives sont utilisées pour corriger les performances. Les éléments optiques adaptatifs (OA), notamment les miroirs déformables comme les Miroirs Déformables Multimodes ALPAO et les Lentilles Déformables de Dynamic Optics sont essentiels pour les applications de macroastronomie et les applications de micro-optique.

Comprendre les fronts d'onde

L’optique adaptative (OA) est une technologie utilisée pour améliorer les performances d'un système optique en manipulant le front d'onde optique. Le résultat final s'en trouve amélioré, ce qui permet d'améliorer les performances par rapport à un système non adaptatif. Un front d'onde est défini comme une surface associée à une onde qui se propage et qui passe par tous les points ayant la même phase. Les fronts d'onde non déformés sont généralement planaires ou sphériques et peuvent être modifiés à l'aide d'éléments optiques courants. Par exemple, une lentille positive concentre la lumière collimatée en un point, transformant un front d'onde plan en un front d'onde sphérique, comme l'illustre la Figure 1.

L'utilisation d'un moyen actif de manipulation d'un front d'onde avec des éléments optiques adaptatifs tels qu'un miroir déformable permet un contrôle précis de la forme du front d'onde. Cette précision et ce contrôle « programmable », impossibles à obtenir avec des éléments non adaptatifs, permettent d'améliorer considérablement les performances de nombreux systèmes optiques. C'est pourquoi l'optique adaptative est utilisée dans un large éventail d'applications d'imagerie et autres pour réduire les aberrations, améliorer la qualité de l'image ou modeler les faisceaux laser. Pour plus d'informations sur les aberrations et la manière de les corriger, veuillez lire Aberrations optiques chromatiques et monochromatiques.

Figure 1 : Lentille plan-convexe (PCX) transformant un front d'onde plan en front d'onde sphérique

Éléments et systèmes optiques adaptatifs

L'optique adaptative corrige un front d'onde en utilisant un élément optique qui change de forme lorsqu'un signal de contrôle extérieur est appliqué. Un miroir déformable est un élément adaptatif dont la forme de la surface réfléchissante est contrôlable. En introduisant la forme correcte du miroir, il est possible d'améliorer un front d'onde d'entrée déformé, comme l'illustre la Figure 2.

Figure 2 : Miroir déformable qui corrige un front d'onde déformé

La forme du miroir peut être dérivée d'un ensemble de formes précalculées ou stockées, c'est-à-dire un contrôle en boucle ouverte, ou peut être calculée sur la base d'un retour d'information provenant d'un capteur de front d'onde et fonctionner en boucle fermée.

Un système simple d'imagerie optique adaptative en boucle ouverte est illustré à la Figure 3a. Le système comprend un miroir déformable, un ensemble électronique qui contrôle le miroir, un capteur d'imagerie et des éléments optiques conventionnels. Le système de contrôle fonctionne en boucle ouverte et peut appliquer des formes de miroir prédéterminées pour corriger différents types d'aberrations par exemple. Ce même système peut également être utilisé pour introduire des aberrations optiques connues dans un système afin de comprendre leur impact sur les performances du système.

Figure 3a : Système optique adaptatif utilisant un miroir déformable fonctionnant en boucle ouverte

Un système plus sophistiqué utilise un capteur de front d'onde (décrit ci-dessous) capable de caractériser la forme d'un front d'onde incident. Un séparateur de faisceau est placé sur le chemin optique et utilisé pour réfléchir une partie de la lumière sur un capteur de front d'onde, comme illustré à la Figure 3b. L'information dérivée de ce capteur est utilisée pour calculer la forme du miroir nécessaire pour corriger toute distorsion du front d'onde. Ces données sont ensuite renvoyées au système de contrôle du miroir, qui modifie alors la forme du miroir. Ce système est en boucle fermée et peut échantillonner et mesurer en continu la qualité du front d'onde et renvoyer ces informations pour contrôler la forme du miroir.

Figure 3b : Miroir déformable dans un système d'optique adaptative fonctionnant en boucle fermée et utilisant le retour d'information d'un capteur de front d'onde pour contrôler la forme du miroir.

Un type courant de capteur de front d'onde est l’analyseur de front d'onde Shack Hartmann. Ce capteur est fabriqué avec une matrice de microlentilles montée devant un capteur CCD ou CMOS comme illustré dans la Figure 4. Comme le montre la Figure 4a, lorsqu'un front d'onde plan est incident sur le capteur, chaque lentille concentre la lumière au centre d'un ensemble prédéfini de pixels dans la matrice qui est placée au plan focal de la matrice de lentilles. Lorsqu'un front d'onde déformé est incident sur la matrice de microlentilles, les points focaux se trouvent à différents endroits dans les pixels associés à chaque lentille, comme le montre la Figure 4b. En analysant l'emplacement des différents spots sur le réseau de détecteurs, il est possible de caractériser la forme du front d'onde incident sur le capteur de front d'onde. Cette information peut être utilisée pour déterminer la forme de la surface du miroir déformable nécessaire pour corriger la distorsion.

Figure 4 : Illustration montrant les principes de fonctionnement de base de l’analyseur de front d'onde Shack Hartmann

Paramètres clés de l'optique adaptative

Le type de surface, la membrane (segmentée ou continue), la technologie d'actionnement, le nombre d'actionneurs, les types de traitement et les dimensions des éléments optiques sont des paramètres clés de l'optique adaptative. La compréhension de ces paramètres permet à l'utilisateur de choisir l'élément optique adaptatif qui convient le mieux à l'application en question. Le tableau 1 résume quatre paramètres clés de l'optique adaptative à prendre en compte lors du choix d'un miroir déformable pour une application donnée.

L'optique adaptative peut également être transmissive, et pas seulement réfléchissante. Un exemple de ceci sont nos Lentilles Déformables de Dynamic Optics.

Exemples d'application

Les composants optiques adaptatifs sont utilisés dans de nombreuses applications d'imagerie et autres, notamment l'imagerie 3D, la vision et les applications biomédicales. L'imagerie 3D utilise des miroirs déformables pour augmenter la profondeur, créant ainsi une 3D plus fidèle. Dans les applications de vision, l'optique adaptative est utilisée dans la vision robotique et les caméras de surveillance pour fournir une imagerie en temps réel ou à longue distance. En microscopie, l'optique adaptative corrige les aberrations des lentilles statiques. Les applications biomédicales, y compris l'ophtalmologie, utilisent l'optique adaptative pour surmonter les aberrations causées par l'humeur vitrée dans l'œil humain afin de capturer des images rétiniennes à haute résolution ou d'augmenter la profondeur de balayage dans la tomographie par cohérence optique.

Les éléments optiques adaptatifs se retrouvent également dans plusieurs applications autres que l'imagerie, notamment l’usinage des matériaux par laser, où ils peuvent être utilisés pour contrôler la forme et la taille du faisceau laser afin d'accroître la précision.

L'optique adaptative est idéale pour corriger les distorsions du front d'onde dans le domaine de l'imagerie et pour modeler le faisceau dans des applications autres que l'imagerie. Les principaux composants optiques de tout système optique adaptatif sont le miroir déformable et le capteur de front d'onde. Lorsqu'ils sont utilisés dans un système en boucle ouverte, ces composants adaptatifs façonnent les lasers ou améliorent les performances d'imagerie grâce à la correction des aberrations. Si un simple contrôle en boucle ouverte ne permet pas d'obtenir les performances souhaitées, il faut envisager d'associer l'élément adaptatif à un capteur de front d'onde dans un système de contrôle en boucle fermée. Commencez à explorer l'amélioration des performances des systèmes adaptatifs avec les Miroirs Déformables Multimodes ALPAO et les Lentilles Déformables de Dynamic Optics.