Approche dynamique de formation d`image et de

École Doctorale Mathématiques, Sciences de
l'Information et de l'Ingénieur
UdS – INSA – ENGEES
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Strasbourg
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité : Photonique
par
Marc BEURET
Approche dynamique de formation d’image
et de compensation d’aberrations
pour un système de réalité augmentée
Soutenue publiquement le 29 juin 2012
Membres du jury
Directeur de thèse : M. Joël Fontaine (Pr.), INSA Strasbourg
Rapporteur externe : M. Pierre Ambs (Pr.), Univ. De Haute-Alsace, Mulhouse
Rapporteur externe : M. Pierre Chavel (DR), Institut d’Optique / CNRS, Paris
Examinateur : M. Patrice Twardowski (Mcf.), Univ. De Strasbourg
INESS UMR 7163

1

2
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse M. Joël Fontaine pour m’avoir
offert l’opportunité de travailler sur un sujet riche et motivant, pour m’avoir soutenu tout au
long de ce travail de thèse et pour sa disponibilité malgré ses nombreuses obligations. Un très
grand merci également à M. Patrice Twardowski, encadrant de ce travail de thèse, avec qui ce
fut tout simplement un véritable plaisir de travailler et d’échanger au quotidien.
Je tiens également à remercier MM. Pierre Ambs et Pierre Chavel pour avoir accepté
d’évaluer ce travail de thèse. Leurs remarques ont contribué à améliorer la qualité du
manuscrit et à mettre en avant des aspects intéressants auxquels je n’avais pas pensé.
Je souhaite également adresser mes remerciements à M. Dalibor Vukicevic pour son
importante implication dans la partie expérimentale de ce travail. Sa rigueur de travail et son
expérience en holographie m’ont permis d’enrichir mon savoir-faire et ont été salutaires pour
obtenir un hologramme de qualité et réaliser la validation expérimentale.
Une part de mes remerciements est également adressée à M. Patrick Meyrueis pour avoir
motivé mon intérêt pour la photonique quelques années avant de débuter ce travail de thèse.
Je souhaite également remercier les différents enseignants-chercheurs que j’ai côtoyés
durant ces années. Merci à M. Bruno Sério pour l’utilisation de la caméra thermique et pour
ses divers conseils. Merci à M. Sylvain Lecler pour les nombreuses discussions scientifiques,
politiques ou économiques que nous avons échangées. Merci à M. Yoshi Takakura pour ses
éclaircissements théoriques (pas toujours immédiats!) et ses nombreux conseils pratiques pour
la mise en place des montages expérimentaux. Merci à M. Pierre Pfeiffer pour avoir répondu à
mes différentes sollicitations.
Je tiens à adresser mes remerciements aux différentes « générations » de doctorants et
post-doctorants avec qui j’ai passé plus ou moins de temps au laboratoire (Cédric, Victorien,
Mikaël, Marek, Antoine, Matthieu, Anthony, Hanan, Catherine, Badreddine, Nam, Abbas,
Andri…). Mention spéciale à Cédric. Pourquoi ?... Paceuh… !
Des remerciements également pour les différentes personnes avec qui j’ai eu le plaisir de
travailler à l’UFR de sciences physiques et à l’INSA de Strasbourg lors de l’encadrement de
travaux pratiques et dirigés : Freddy Anstotz, Nathalie Parizet, Hélène Vornesh et Christophe
Cordier.
Je tiens aussi à remercier la société Hamamatsu et Mariam Mili pour le prêt d’un
modulateur spatial de lumière nous ayant permis de vérifier les résultats expérimentaux que
nous avions obtenus.
Enfin, merci à mon entourage pour leur soutien sans faille durant ces années de travaux.

3
Résumé
La réalité augmentée consiste à superposer à l’environnement réel des informations
virtuelles générées numériquement. Parmi les systèmes qui permettent de réaliser un tel
mélange, nous nous intéressons dans ce travail aux systèmes de visualisation en réalité
augmentée liés à la tête de l’utilisateur, généralement appelés HMD (Head-Mounted Display).
Dans un tel système, la superposition des informations virtuelles à l’environnement réel peut
être réalisée par un élément optique (optique mélangeuse) positionné devant l’œil de
l’utilisateur. La conception d’un système HMD est cependant une tâche complexe. En effet, la
proximité de la tête introduit des contraintes géométriques importantes et provoque des
déformations (aberrations) des images virtuelles. Généralement, ces aberrations sont
minimisées de façon simultanée sur l’ensemble du champ de vision de l’utilisateur. Cette
optimisation du système se fait néanmoins soit au détriment de la compacité ce qui s’avère
problématique pour le confort d’utilisation du HMD, soit au détriment de la qualité de l’image
au centre du champ de vision. Nous proposons dans ce travail ce qui nous semble être une
nouvelle approche de conception en associant un modulateur spatial de lumière (SLM) et une
optique mélangeuse diffractive statique. L’image virtuelle est créée séquentiellement point par
point en modifiant l’incidence sous laquelle on éclaire l’optique mélangeuse. Le SLM permet
d’adapter dynamiquement la correction des aberrations associées à chaque point virtuel. Nous
avons dans un premier temps défini la fonction optique de l’optique mélangeuse diffractive et
le champ de vision maximal (18° x 18°) qu’il est possible d’atteindre en respectant les
contraintes géométriques d’utilisation. Nous avons pu alors montrer théoriquement que
l’approche proposée permet d’atteindre une qualité d’image optimale sur l’ensemble du
champ de vision. Les fonctions de correction sont réalisables avec les technologies actuelles.
La validation expérimentale de ces résultats a été réalisée.

4
Abstract
Augmented reality (AR) supplements the real world with computer-generated objects
that appear to coexist in the same space as the real world. Among the systems that achieve
such a mixture, we focus in this work on augmented reality head mounted displays (HMD). In
such a system, the superimposition of virtual information to the real environment can be
achieved by a combiner. This combiner is an optical element positioned in front of the eye of
the user. It is a complex challenge to design an HMD. They generally have off-axis
configurations because of the proximity of the head of the user. The optical system therefore
suffers for high geometrical aberrations as Gauss conditions are not respected. Usually, these
aberrations are minimized simultaneously on the entire field of vision of the user. However,
such a simultaneous approach implies either a loss of compactness or a loss of the quality of
the image. We propose in this work a novel design for an augmented reality HMD. We
studied an optical system associating a dynamic element (spatial light modulator) and a static
diffractive combiner. The virtual image is created sequentially point by point by illuminating
the diffractive combiner with different incidences. The SLM allows to adapt, in a dynamical
way, the correction of the aberrations associated to each position of the virtual point. We
initially defined the phase transfer function of the diffractive combiner. We showed that it is
possible to reach a 18° by 18° field of view considering the geometrical constraints. Then, we
proved theoretically that the proposed approach can achieve an optimal image quality over the
entire field of view. We demonstrated that it is possible to realize the correction functions
with current technologies. The experimental validation of the results was performed.