Mesures optiques : Le logiciel simplifie la mesure de front d`onde

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S olutions
MESURES OPTIQUES
Le logiciel simplifie
la mesure de front d’onde
Le front d’onde est l’un des nombreux paramètres qui caractérisent un faisceau
lumineux. Défini comme la surface à laquelle les rayons sont perpendiculaires, il
recèle à lui seul une grande variété d’informations. On l’utilise aussi bien dans les
applications de topographie 3D, que dans le contrôle de composants optiques ou
de lasers. Pour le mesurer, il existe différentes méthodes. Les capteurs de Shack-
Hartmann, l’interférométrie à décalage multilatéral et les analyseurs de courbure
sont les plus répandues. Ces techniques ont largement fait leurs preuves, mais elles
souffrent de certaines limitations. Grâce aux nouveaux capteurs de la société
PhaseView, les industriels disposent désormais d’une alternative intéressante.
Souvenez-vous des schémas de prin-
cipe qui faisaient l’objet de vos tra-
vaux pratiques d’optique. Ceux des
interféromètres de Michelson et
autres Pérot-Fabry, où l’on jouait avec les
réflexions et les interférences des rayons lu-
mineux afin d’en connaître tous les secrets…
Avec l’analyse de front d’onde, le principe
est un peu le même. En projetant un faisceau
lumineux sur une surface ou à travers un
composant optique, et en étudiant les rayons
transmis ou réfléchis, on obtient une très
grande quantité d’informations : le relief de
la surface, la qualité du composant optique
étudié, ses aberrations éventuelles, etc. Tout
repose sur une grandeur élémentaire parti-
culièrement riche d’enseignements : le front
d’onde du faisceau lumineux étudié, autre-
ment dit la surface “perpendiculaire” à la
direction de propagation des rayons.
L’analyse du front d’onde est couramment
utilisée dans le domaine de l’astronomie
depuis les années 80. C’est à cette époque
que l’on a l’idée d’utiliser une matrice de
microlentilles pour améliorer le rendement
de transmission des ondes dans des condi-
tions de faible luminosité. L’idée donne nais-
sance à la méthode dite de Shack-Hartmann,
qui devient industrielle dès 1990 avec l’ap-
parition des premiers capteurs de mesure du
front d’onde. Très rapidement, de nouvelles
méthodes voient le jour. Des capteurs basés
sur l’interférométrie à décalage multilatéral
sont introduits en 1995, puis des analyseurs
de courbure en 2000… Désormais, ces trois
méthodes cœxistent. Elles sont utilisées en
astronomie, bien sûr, mais aussi pour la ca-
ractérisation des faisceaux laser, l’ophtalmo-
logie, ou encore le contrôle de composants
optiques (lentilles, objectifs, têtes de lecture
des DVD, etc.). Il faut dire que l’analyse de
front d’onde ne manque pas d’intérêt. Elle
est d’abord plus adaptée au milieu industriel
que les techniques d’analyse classiques ba-
sées sur un principe interférométrique. Par
ailleurs, elle se distingue des techniques de
triangulation en autorisant le contrôle de
toutes sortes de reliefs. Dans l’analyse de
front d’onde, le faisceau lumineux réfléchi
ou transmis est en effet analysé suivant le
même axe que le faisceau incident. Quel que
soit le relief de la pièce étudiée, il n’y a donc
plus de risque d’angle mort lors de la me-
sure. Enfin la mesure est aussi insensible à la
couleur des matériaux étudiés.
Reste que les méthodes existantes présentent
un certain nombre de limitations. Pour y
remédier, la société PhaseView a récemment
introduit une nouvelle génération de cap-
teurs de mesure du front d’onde. Basés sur
des composants optiques spécifiques et sur
un nouveau logiciel de traitement, ces cap-
teurs offrent une alternative intéressante aux
solutions utilisées jusqu’à présent. Pour
comprendre leur intérêt, il faut revenir à
quelques fondamentaux… Les capteurs de
Shack-Hartmann sont basés sur un échan-
tillonnage du faisceau incident. La surface
d’un front d’onde est décomposée en fronts
d’ondes élémentaires
par une matrice de
microlentilles placée
dans le plan d’analyse.
Chaque microlentille
laisse passer une partie
du faisceau en le con-
centrant sur le plan
focal, où se trouve une
caméra CCD. L’image
obtenue se présente
ainsi sous la forme
d’une succession de
tâches lumineuses, qui
correspondent à cha-
cune des microlen-
tilles. La position de
chaque tâche par rap-
port à un repère pré-
défini (correspondant
à un front d’onde
La société PhaseView a
développé une nouvelle
génération de capteurs
pour mesurer le front d’onde
d’un faisceau lumineux.
La méthode offre une
résolution supérieure
à celles qui étaient utilisées
jusqu’alors, à l’aide
de composants optiques
plus simples.
Contrairement aux
analyseurs de courbure,
elle peut être utilisée avec
un faisceau incident de
n’importe quelle longueur
d’onde, de l’ultraviolet
au rayonnement X.
L’essentiel
➜
La mesure du relief sur des plaques de semi-conducteurs est l’une
des nombreuses applications des capteurs de front d’onde.

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non perturbé) est proportionnelle à la
pente locale du front d’onde incident. La
détection des tâches lumineuses et l’intégra-
tion de leurs déplacements dans le plan focal
conduit alors à une estimation instantanée
du front d’onde.
La méthode a fait ses preuves depuis plu-
sieurs années, en particulier dans les boucles
d’asservissement d’optique adaptative.
L’objectif consiste à compenser, à l’aide de
miroirs déformables et d’actionneurs, les
aberrations introduites par un composant
optique, un faisceau lumineux (comme un
rayon laser de forte puissance), ou même
des turbulences atmosphériques (en astro-
nomie) afin d’obtenir un faisceau de bonne
qualité et une image nette.
La méthode de Shack-Hartmann se distingue
notamment par sa sensibilité. Comme les
microlentilles concentrent le faisceau lumi-
neux sur chaque tâche du plan focal, il est
possible de mesurer des fronts d’onde de
faible intensité. Mais elle souffre aussi d’un
inconvénient : la faible résolution des cap-
teurs (typiquement 128 x 128 points), en
particulier dans la détection des aberrations
d’ordre supérieur (qui donnent lieu à de très
fines déformations du front d’onde). La
tâche lumineuse issue d’une microlentille
occupe en effet plusieurs pixels sur la bar-
rette du CCD. Si l’on cherche à améliorer la
résolution en diminuant le nombre de pixels
alloués à chaque tâche, le résultat conduit
nécessairement à une forte diminution de la
dynamique du capteur avec un faible gain en
résolution. En outre, si l’on réduit les dimen-
sions des microlentilles, on augmente les
interférences générées par chacune d’entre
elles. Les tâches obtenues risquent donc de
“déborder” de la surface qu’elles occupent
pour se fondre avec leurs voisines. Au final,
chaque tâche est plus difficile à identifier.
Pour pallier ce problème, certains fournis-
seurs ont doté les microlentilles d’une signa-
ture spécifique. Le système est efficace, mais
le coût de fabrication des microlentilles est
bien sûr plus élevé.
Pour une meilleure résolution
Les interféromètres à décalage multilatéral
suivent un principe légèrement différent.
Dans ce cas, le faisceau incident ne passe pas
par un réseau de microlentilles, mais à tra-
vers un réseau de diffraction. Celui-ci génère
des franges d’interférences qui parviennent
sur le plan focal d’une caméra CCD ou
CMOS. L’image de diffraction obtenue con-
duit alors, par calcul, à la reconstruction du
front d’onde. Pour une taille de détecteur
donnée, la résolution de l’interféromètre à
décalage multilatéral est supérieure à celle
des capteurs de Shack-Hartmann (on obtient
typiquement 250 x 250 points de mesure,
contre 128 x 128 pour le Shack-Hartmann).
Les interféromètres à décalage multilatéral
ont ainsi toujours été privilégiés dans les
applications qui nécessitent une résolution
élevée, telles que la déconvolution d’images.
Au lieu d’utiliser un miroir plus ou moins
complexe et une boucle adaptative pour cor-
riger les aberrations d’un composant, il s’agit
dans ce cas de partir de l’image floue et de
mesurer les défauts du front d’onde afin de
reconstruire mathématiquement l’image
nette (par déconvolution).
Contrairement au Shack-Hartmann, l’inter-
féromètre à décalage multilatéral autorise
l’utilisateur à modifier, suivant ses besoins,
la sensibilité et la dynamique de la mesure.
Il suffit pour cela de faire varier la distance
entre le plan d’analyse (où se situe le réseau)
et le plan du détecteur CCD. En augmentant
cette distance, l’utilisateur privilégie la sen-
sibilité. En la diminuant, il accroît la dyna-
mique. Grâce à cette particularité, l’interfé-
romètre à décalage multilatéral s’adapte à un
plus grand nombre d’applications. Reste que
pour offrir ces caractéristiques, l’interféro-
métrie à décalage multilatéral nécessite aussi
d’utiliser un matériel de même complexité
que la méthode Shack-Hartmann…
Dernière méthode, les analyseurs de cour-
bure. Dans ce cas, le principe est radicale-
ment différent. Pour le comprendre, imagi-
nons que l’on mesure un front d’onde
convergent. En analysant une première
image du faisceau (perpendiculairement à
son sens de propagation), il n’y a aucun
moyen de savoir s’il converge ou s’il diverge.
Pour cela, il faut aussi disposer d’une
deuxième image, prise à un autre endroit du
faisceau. Par calcul, on pourra également en
➜
Principe de la mesure du front d’onde
La mesure du front d’onde consiste à projeter
un faisceau lumineux à la surface du
composant étudié (ou à travers elle) et à
analyser les déformations des rayons réfléchis
(ou transmis). Le front d’onde arrivant sur
le capteur CCD fournit alors un grand nombre
d’informations : le relief du composant,
ses aberrations éventuelles, etc.

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déduire la forme du faisceau et mesurer le
front d’onde. L’analyseur de courbure est
basé sur ce raisonnement. Il mesure en effet
la variation longitudinale de l’intensité en
déplaçant le capteur le long de l’axe optique.
Pour simplifier la mise en œuvre de la mé-
thode et obtenir simultanément les deux
images d’intensité, certains fabricants ont eu
l’idée d’utiliser une grille de diffraction spé-
cifique (composée de motifs paraboliques).
Les images sont acquises sur un capteur CCD
situé derrière la grille. On obtient ainsi les
deux images d’intensité du faisceau incident
sans qu’il soit nécessaire de déplacer la ca-
méra. La résolution des analyseurs de cour-
bure est plus élevée que celles des deux mé-
thodes précédentes. Chaque pixel obtenu
correspond en effet à un point de mesure (et
donc à une valeur de front d’onde).
Cependant la grille est conçue pour fonc-
tionner avec une longueur d’onde spécifi-
que. La bande passante du front d’onde est
donc réduite. D’autre part, il peut être néces-
saire d’augmenter le flux lumineux incident
afin de compenser la division du faisceau par
la grille de diffraction. Pour faire simple, c’est
un peu comme si chaque “demi-caméra”
recevait la moitié du flux lumineux incident.
Et cette fois-ci, les analyseurs ne disposent
pas d’un réseau de microlentilles pour con-
centrer le faisceau lumineux. Enfin la mé-
thode nécessite d’utiliser des éléments de
diffraction complexes et très spécifiques.
La simplicité avant tout
Avec les capteurs de front d’onde introduits
par la société PhaseView, le concept est diffé-
rent. Dans ce cas, il ne s’agit plus d’atteindre
coûte que coûte de meilleures résolutions en
utilisant des composants matériels de plus
en plus complexes (tels que des microlen-
tilles dotées d’une signature ou des réseaux
de diffraction spécifiques). La société a plu-
tôt misé sur des composants optiques plus
simples, mais associés à un calcul algorith-
mique plus important. Dans ces capteurs que
PhaseView qualifie de “numériques”, c’est
donc le logiciel qui prévaut. Le principe,
quant à lui, est relativement proche des ana-
lyseurs de courbure. Les capteurs s’appuient
en effet sur la mesure du changement de
répartition de l’énergie lumineuse dans l’es-
pace. Comme les analyseurs de courbure, ils
mesurent la variation de l’intensité de l’onde
dans la direction de l’axe optique. Grâce aux
images d’intensité obtenues sur des plans
transversaux à l’axe optique, et au logiciel
qui leur est associé, ils fournissent une re-
construction mathématique du front d’onde.
Dans ce cas, les composants optiques utilisés
sont beaucoup plus simples. Ici, pas d’élé-
ments de diffraction ou de microlentilles :
c’est une simple lame séparatrice qui sépare
le faisceau incident. L’utilisation minimale
d’éléments matériels améliore la portabilité
des analyseurs de front d’onde. Ceux-ci res-
semblent à des capteurs faciles à mettre en
œuvre dans un milieu industriel.
Contrairement aux analyseurs de courbure,
il est possible de mesurer le front d’onde
quelle que soit la longueur d’onde du fais-
ceau incident. Celui-ci peut même être cons-
titué d’une lumière blanche (plusieurs lon-
gueurs d’ondes simultanément). Les capteurs
sont donc utilisables dans une plus large va-
riété d’applications, et cela sans qu’il soit
nécessaire de choisir un appareil pour une
longueur d’onde spécifique. L’exemple le
plus simple est celui des lentilles de lecteurs
DVD ou Blu-Ray. Pour les contrôler, il fallait
jusqu’à présent deux longueurs d’onde dif-
férentes, et donc deux systèmes de mesure.
Désormais, un seul appareil suffit.
Les capteurs numériques de front d’onde
offrent une bonne sensibilité (λ/100) avec
une résolution d’environ 250 000 points de
mesure. Ils peuvent donc remplacer avanta-
geusement le Shack-Hartmann, notamment
dans les faibles conditions de luminosité ou
dans les systèmes d’optique adaptative. La
sensibilité et la dynamique font toujours
l’objet d’un compromis, mais il est possible
de construire des capteurs réglables et de
choisir de privilégier l’un ou l’autre des cri-
tères au moment de la mesure (en jouant sur
l’espacement entre deux prises d’images).
Malgré la charge de calcul importante, la fré-
quence de mesure s’élève à 15 Hz.
Grâce à ces caractéristiques, les capteurs nu-
mériques peuvent être utilisés dans une très
large variété d’applications : mesure des
aberrations d’ordres supérieurs et inférieurs
des lentilles asphériques utilisées dans les
têtes de lecture des DVD, des téléphones ou
encore des lentilles intraoculaires, discrimi-
nation de cellules biologiques en microsco-
pie en lumière blanche, caractérisation de
surfaces, etc.
Marie-Line Zani-Demange
d’après un document de
Igor Lyuboshenko, PhaseView
La mesure des lentilles asphériques, qui nécessite des appareils
dotés d’une résolution et d’une dynamique élevées, est une
application privilégiée des capteurs numériques de PhaseView.
Les différentes méthodes
Méthodes Principaux avantages Principales limitations
Shack-Hartmann - Grande sensibilité
- Large gamme de longueurs d’onde
- Insensibilité aux vibrations
- Faible résolution
- Compromis à trouver entre dynamique
et résolution
- Nécessite un étalonnage précis
Interférométrie
à décalage
multilatéral
- Résolution supérieure
à Shack-Hartmann
- Possibilité de modifier, suivant les besoins,
la sensibilité et la dynamique
- Requiert un matériel plus complexe
(et plus coûteux) que le Shack-Hartmann
Analyseurs
de courbure
- Résolution supérieure
à Shack-Hartmann et à l’interférométrie
à décalage multilatéral
- Matériel plus complexe que les méthodes
précédentes
- Fonctionne dans une longueur d’onde
déterminée
- Bande passante limitée
Capteurs
“numériques”
de front d’onde
- Résolution supérieure
aux capteurs précédents
- Simplicité
- Fonctionne avec n’importe quelle
longueur d’onde
- Nécessite des algorithmes spécifiques
et une charge de calcul élevée
Source : PhaseView