Conception optique freeform ex-nihilo

Ex-nihilo freeform optical design

• Auteur / Autrice : Thibaut Mayeur
• Direction : Guillaume Druart, Jean-Baptiste Volatier, Françoise Cau, Elodie Tartas, Alain Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Electronics & Defense - LYNRED
• Jury : Président / Présidente : Yvan Sortais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Thibault, Thierry Lépine, Florence Rigal, Emmanuel Hugot, Vincent Nourrit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Thibault, Thierry Lépine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caméras infrarouges

Imagerie infrarouge

Optique géométrique

Mots clés libres

Optiques freeform

Optiques asphériques

Système d'aide à la conduite automobile

Problématique SWaP

Approche globale

Imagerie infrarouge

Freeform optics

Aspherical optics

Infrared imagery

Advanced driver-assistance System

SWaP problematic

Résumé

De nos jours, la recherche d'une forte miniaturisation et simplification des systèmes optiques pousse le concepteur opticien à se restreindre à un nombre très limité de surfaces qui doivent en revanche être très asphérisées ou freeform pour maintenir les performances optiques. Cependant, l'augmentation considérable du nombre de degrés de liberté accroît le nombre de solutions possibles et rend le choix d'un bon point de départ encore plus critique pour converger vers les solutions les plus performantes. De nouvelles méthodes de conception optique ont donc été proposées pour explorer plus efficacement l'espace des solutions possibles et ainsi réduire l'impact de l'expérience du concepteur opticien.C'est dans ce contexte que j'ai mis en place une approche de conception optique globale qui combine une étape de construction directe de surfaces appelée méthode "Simultaneous Multiple Surfaces" (SMS) pour générer des points de départ asphériques ou freeform et d'une étape d'optimisation automatique à l'aide du logiciel de conception optique Ansys Zemax OpticStudio. La méthode SMS a été initialement proposée par les équipes de J.C Miñano. Cette méthode permet à partir d'hypothèses simples de construire N surfaces optiques afin de corriger N points du champ. J'ai appliqué l'approche globale de conception optique développée pour concevoir des systèmes optiques dioptriques infrarouges pour des applications automobiles. Les systèmes asphériques ou freeform conçus sont très ouverts (F # ≤ 1.2) et répondent à une problématique Size, Weight and Power (SWAP) très sévère imposée par l'industrie automobile. Je me suis également servi de la méthode SMS implémentée pour générer des points de départ d'optimisation pour des systèmes optiques spécialisés, comme des systèmes optiques à vision fovéale ou panamorphes qui permettent de maximiser les performances optiques dans les zones d'imagerie d'intérêt.

Nowadays, the research of significant miniaturization and simplification of optical systems considerably limits the number of surfaces an optical designer can use. However, those surfaces have highly aspherical or freeform shapes. The large number of induced degrees of freedom increases the number of possible solutions. Therefore, choosing a good starting point is even more critical for converging on high-performance systems. New optical design methods are proposed to explore more efficiently the solution space and then reduce the burden on optical designers. In this context, I have developed a global optical design approach combining a direct construction method of surfaces called the "Simultaneous Multiple Surfaces" method to generate aspherical or freeform starting points with an automatic optimization using the optical design software Ansys Zemax OpticStudio. The SMS method was initially studied by J.C Miñano's team. Starting with simple hypotheses, this method allows constructing N optical surfaces to correct N points of the field of view. I applied the developed global optical design approach to design infrared dioptric optical systems for automotive applications. The designed aspherical or freeform systems are highly open (F # ≤ 1.2) and answer to severe Size, Weight, and Power (SWAP) problems imposed by the automotive industry. I also used the SMS method to generate starting points for further optimization for specialized systems such as foveated imaging or panamorph systems, maximizing the optical performances in the interest.