Etude de l'apport des lentilles de Fresnel pour la vision

Study of the properties of Fresnel lenses for infrared imagery applications

• Auteur / Autrice : Tatiana Grulois
• Direction : Pierre Chavel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/11/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Chavel, Thierry Lépine, Philippe Adam, Guillaume Druart, Hervé Sauer, Béatrice Dagens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jannick Rolland, Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fresnel, Lentilles de

Microélectronique

Imagerie infrarouge

Mots clés libres

Imagerie infrarouge

Miniaturisation

Optique diffractive

Lentille de Fresnel

Infrared imagery

Miniaturization

Diffractive optics

Fresnel lens

Résumé

De nombreux travaux de recherche sont actuellement menés afin de rendre les caméras infrarouges plus compactes et moins chères. En infrarouge refroidi, le défi est de proposer un système cryogénique compact pouvant être intégré sur un système à faible capacité d’emport tel qu’un drone. Dans ce cadre, l’utilisation d’une lentille mince en remplacement du filtre froid du cryostat permettrait de limiter la masse supplémentaire à refroidir et de maintenir constant le temps de descente en froid. En infrarouge non refroidi, l’objectif est de concevoir un petit capteur infrarouge bas coût « grand public » que l’on pourra inviter dans nos maisons, nos voitures, voire nos smartphones. L’utilisation d’une lentille mince ouvrirait la voie à des imageurs infrarouges peu onéreux.Dans ce contexte, j’ai choisi d’étudier le comportement d’une lentille de Fresnel dite d’ordre élevé intégrée dans une configuration optique de type landscape lens. J’ai montré que cette architecture optique mince peut fonctionner sur une large bande spectrale et sur un grand champ de vue. Cependant, les lentilles de Fresnel d’ordre élevé étant mal modélisées dans la littérature, j’ai développé mes propres algorithmes de modélisation afin de prévoir les performances d’un tel système. Grâce à cette étude, j’ai ensuite proposé deux systèmes d’imagerie, l’un refroidi et l’autre non refroidi. Chacun des deux systèmes a fait l’objet d’un prototype et a été entièrement caractérisé expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus m’ont permis de valider les performances anticipées théoriquement et de mettre en évidence un phénomène de chromatisme diffractif latéral. Ces systèmes ouvrent la voie à deux nouvelles générations de caméras infrarouges. J’ai montré que l’imageur infrarouge refroidi possède une qualité image satisfaisante pour des applications d’aide au pilotage. Le prototype non refroidi est lui entièrement compatible avec des applications domotiques. Il a suscité l’intérêt de différents acteurs industriels.

Miniaturizing infrared optical systems is a research area of great interest nowadays in order to make them lighter and cheaper. In the cooled infrared domain, the objective is to design a compact cryogenic camera that could be integrated in a small-capacity carrier like a drone. To that purpose, replacing the cold filter of the dewar by a thin lens would limit the cooled down mass and would stabilize the cool down time. In the uncooled infrared domain, the objective is to design a small general use camera at a low cost. Its use could be generalized in houses, cars or even smartphones. The use of a thin lens would also pave the way for low-cost infrared imagers. In this context, I chose to study the imagery properties of a high order Fresnel lens integrated in a landscape lens architecture. I have demonstrated that this architecture can be used within a wide spectral range and over a wide field of view. However, current optical design software perform poorly on high order Fresnel lenses. Therefore, I have developed my own algorithms to model the performances of such a system. With that study, I have been able to design two prototypes with their own objectives: the first one is cooled and the second one is uncooled. Both systems have been demonstrated and entirely characterized. The experiment results have validated the theoretical performances of the systems and they highlighted an original kind of lateral chromatic aberration.These two systems pave the way to two new generations of infrared cameras. Indeed, on one hand I have proved that the cooled infrared quality may be good enough to qualify for an aircraft piloting aid. On the other hand, the uncooled prototype is fully compatible with low cost surveillance applications and the system raised the interest of various companies.