Modélisation et simulation de composants optiques diffractifs et pixellisés en vue de leur caractérisation et de leur optimisation

Characterization and improvement of diffractive pixelated optical components by their modelization and simulation

• Auteur / Autrice : Céline Benoît-Pasanau
• Direction : François Goudail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Essilor International
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Alain Bosseboeuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Goudail, Alain Bosseboeuf, Joël Fontaine, Michel Lequime, Jean-Paul Cano, Françoise Lozes-Dupuy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joël Fontaine, Michel Lequime

Mots clés

Mots clés contrôlés

Voronoi, Polygones de

Modulateurs de lumière

Diffraction

Résumé

Cette thèse est consacrée à la conception et à l'amélioration de composants pixellisés bidimensionnels compatibles avec des technologies de fabrication à bas coût sortant du champ de réalisation des optiques traditionnelles. Comme ces composants introduisent des phénomènes de diffraction, notre but est de quantifier et de réduire ces effets afin d'améliorer la qualité des images qu'ils formeront par rapport aux géométries périodiques habituelles. Pour cela, nous cassons la périodicité des centres des cellules des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) classiques ce qui permet de mieux répartir angulairement l'énergie diffractée en dehors de l'image directe souhaitée. Ce résultat est toutefois obtenu au prix d'une légère dégradation de cette dernière, dégradation que nous évaluons par son rapport de Strehl. Nous introduisons une adaptation aux SLM de la notion de structure de Voronoi et nous montrons leur supériorité par rapport aux SLM classiques : ils sont donc à privilégier pour la réalisation de composants actifs. Nous déterminons des cas optimaux pour lesquels les pics de diffraction dus aux parois et à la pixellisation, c'est-à-dire à l'approximation de la fonction de phase à implémenter sur le SLM par une fonction constante par morceaux, sont remplacés par un pur halo de diffraction. Les prototypes réalisés permettent de valider les résultats obtenus et de montrer la faisabilité technique du procédé de remplissage retenu malgré certaines limites que nous mettons en évidence. Enfin, nous élargissons le potentiel des composants pixellisés à des applications autres que l'ophtalmique en montrant qu'ils peuvent améliorer les performances d'un objectif photographique.

This thesis is devoted to the design and the improvement of two dimensional pixelated components compatible with low cost, non conventional optical technologies. As these components introduce diffraction effects, our goal is to quantify and reduce them to improve the quality of the images they provide in comparison to usual periodic geometries. For that purpose, we break the periodicity of the cell centres of conventional Spatial Light Modulators (SLM). The result is a better angular distribution of the diffracted intensity outside the direct image, at the cost of a small deterioration of its quality quantified by its Strehl ratio. We introduce an adjustment of the Voronoi structure notion to SLM and we show their superiority over conventional ones. Thus, they should be preferred to make active components. We determine several optimal cases where the diffraction peaks produced by the cell walls and the pixelation of the phase function implemented on the SLM are replaced by a diffraction halo. The prototypes that were made confirm the simulations results and prove the technical feasibility of the chosen filling process in spite of some limits that we analyze. Finally the potential of pixelated components is extended to applications other than ophthalmic by showing that they can improve the performances of a camera lens.