Conception d’un système visuel à base d’optique freeform et de microécran courbe

Design of a visual system based on freeform optics and curved microscreen

• Auteur / Autrice : Simon Charrière
• Direction : Olivier Haeberlé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, optronique et systèmes
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique, Mathématiques, Automatique et Signal (Mulhouse) - Institut de Recherche en Informatique Mathématiques Automatique Signal - IRIMAS - UR 7499 / IRIMAS

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement optique de l'information

Capteurs optiques

Mots clés libres

Optique freeform

Conception optique

Afficheurs

Microécran

Freeform optical

Optical design

Displays

Micro-screen

Résumé

Suite au travail réalisé au CEA-Leti sur les capteurs courbes, et l’obtention de systèmes ultra compacts grâce à cette technologie, ce travail de thèse explore l’utilisation de microécran courbes dans des systèmes visuels pour les rendre plus compacts. Une étude théorique des apports de la courbure aux systèmes visuels ainsi qu’aux systèmes freeform est développée. La courbure permet à la fois de simplifier la correction de l’aberration de courbure de champ, mais aussi de la distorsion. Par ailleurs, la courbure permet aussi d’augmenter le flux lumineux transmis depuis le microécran au système optique, avec des gains allant jusqu’à 20 % dans les cas favorables. Par rapport aux systèmes optiques freeforms, la courbure permet de libérer des degrés de libertés dans la conception des systèmes, ce qui peut améliorer la compacité du système final, sa qualité image ou en simplifier la fabrication. L’un des avantages significatifs, c’est que ces apports ne s’excluent pas l’un l’autre.Suite à ces études théoriques, deux systèmes optiques sont conçus, dont l’un est fabriqué et caractérisé. Le premier système est un viseur à Réalité Augmentée, qui peut être intégré dans un appareil photographique, et composé de trois prismes freeforms collés. Ce système démontre les apports de la courbure à la fois en qualité image, en volume et en flux lumineux. Le second système, celui qui est fabriqué, est un viseur électronique à symétrie de révolution qui démontre les apports de la courbure en compacité ainsi qu’en difficulté de fabrication. Une caractérisation de ce second système est réalisée, qui inclus une mesure de contraste ainsi qu’un test visuel.

After first developments at CEA-Leti on curved sensors and the demonstration of highly compact optical systems benefiting from curvature, this thesis explores the use of curved microdisplays in visuals systems to make them more compact. Advantages of curved microdisplays in visual freeform optical systems are studied theoretically. The curvature allows a better correction of field curvature aberration and of distortion. Also, the curvature allows improving the flux transmitted from the microdisplay to the optical system. Under most favorable circumstances, the gains reach about 20 %. For freeform systems, the curvature frees some new degrees of freeform, which can then be used to improve the compactness of the final system, its image quality or simplify its manufacturing. The possibility of combining all these positive impacts is a major result of this work.After these theoretical studies, two optical systems are designed, and one of them is manufactured and characterized. The first is an augmented reality viewfinder, made of three freeform prisms bond together. It is meant to be used in cameras and demonstrates the benefits of using curved microdisplays on image quality, compactness and luminous flux. The second system is the one which is manufactured. It is a conventional electronic viewfinder demonstrating the benefits of curvature regarding compactness and easier manufacturing of the device. Its characterization includes a measure of the contrast and a visual test.