Modélisation optique avancée et caractérisation haute précision de filtres optiques à couches minces pour les instruments hyperspectraux d'observation de la Terre.

Advanced optical modeling and high precision characterization of thin-film optical filters for hyperspectral Earth observation instruments.

• Auteur / Autrice : Eva Loreau
• Direction : Julien Lumeau, Mathieu Boutillier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2026
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation optique

Caractérisation de haute précision

Filtres optiques à couches minces

Imagerie hyperspectrale

Observation de la Terre

Optical modeling

High precision characterization

Thin-film optical filters

Hyperspectral imaging

Earth observation

Résumé

Le développement de filtres optiques a connu une croissance significative ces dernières années, et les technologies de fabrication permettent désormais la création de fonctions optiques très complexes, tant spectrales que spatiales. Parmi celles-ci figurent les revêtements optiques à couches minces, tels que les filtres allumettes et les filtres linéairement variables. Ces filtres jouent un rôle clé dans la satisfaction des besoins optiques des applications spatiales, en particulier pour les systèmes d'observation de la Terre et plus précisément pour les observations hyper-spectrales. Cependant, la conception et l'optimisation de ces filtres posent des défis majeurs en termes de modélisation optique, de fabrication, ainsi que de caractérisation spectrale et spatiale. Il est donc essentiel de maîtriser toutes les différentes étapes, de la spécification à l'évaluation. Cette recherche aborde donc plusieurs aspects techniques cruciaux. Tout d'abord, elle consiste à développer un outil de simulation optique des composants des filtres interférentiels, qui prend en compte tous les phénomènes physiques liés à l'architecture du composant, en particulier la diffraction, la diffusion et la réflexion. Ensuite, la caractérisation spectrale et spatiale des composants élémentaires sera réalisée, y compris la compréhension, la mise en œuvre et l'optimisation de bancs d'essai pour mesurer les performances des filtres à des résolutions spectrales et spatiales très élevées. Ces caractérisations incluront également l'étude des phénomènes de lumière parasite, qui peuvent dégrader les performances des instruments hyperspectraux. Des caractérisations comparatives pourront également être réalisées. Troisièmement, la comparaison de différentes technologies de filtrage dans une configuration instrumentale sera explorée. L'objectif sera d'identifier les paramètres instrumentaux critiques et de proposer des optimisations pour des scénarios d'applications réalistes.

The development of optical filters has seen significant growth in recent years, and manufacturing technologies now enable the creation of highly complex optical functions, both spectral and spatial. Among these are thin-film optical coatings, such as butcher blocks filters and linear variable filters. These filters play a key role in meeting optical needs for space applications, particularly for Earth observation systems and specifically, for hyperspectral observations. However, design and optimization of those filters face major challenges in terms of optical modeling, manufacturing, as well as spectral and spatial characterization. It is therefore crucial to master all the different stages, from specification to evaluation. Therefore, this research is addressed several crucial technical aspects. First, it involves developing an optical simulation tool for interference filter components, take into account all physical phenomena related to the component's architecture, particularly diffraction, scattering, and reflection. Second, the spectral and spatial characterization of elementary components will be carried out, including the understanding, implementation, and optimization of test benches to measure the performance of filters at very high spectral and spatial resolutions. These characterizations will also include the study of stray light, which can degrade the performance of hyperspectral instruments. Comparative characterizations may also be performed. Third, the comparison of different filtering technologies in an instrumental configuration will be explored. The objective will be to identify critical instrumental parameters and propose optimizations for realistic application scenarios.