Article de référence | Réf : E4045 v2

Sténopé
Optiques binaires et application à l’imagerie - Optiques focalisantes

Auteur(s) : Guillaume DRUART, Florence DE LA BARRIERE, Nicolas GUERINEAU

Relu et validé le 12 avr. 2021

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RÉSUMÉ

L’article traite des propriétés d’imagerie des optiques binaires qui sont des composants optiques codés par une succession de motifs, soit opaques ou transparents, soit gravés ou non gravés. Par rapport aux composants optiques classiques qui utilisent la réfraction ou la réflexion pour modifier la direction des rayons lumineux, les optiques binaires exploitent le phénomène de la diffraction qui sollicite l’aspect ondulatoire de la lumière. Sont développées les optiques binaires focalisantes, c'est-à-dire qui concentrent la lumière en un point focal et dont les propriétés sont proches de celles d’une optique classique.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

Les optiques binaires sont des composants optiques codés, soit en phase soit en amplitude par une succession de motifs. Par rapport aux composants optiques classiques qui utilisent la réfraction ou la réflexion pour modifier la direction des rayons lumineux, les composants binaires exploitent le phénomène de la diffraction qui sollicite l’aspect ondulatoire de la lumière. La diffraction longtemps considérée comme une limitation (on parle de systèmes optiques en limite de diffraction) a été progressivement exploitée dans des architectures optiques. Dans un premier temps, elle a été utilisée pour améliorer les performances de combinaisons d’optiques réfractives (par exemple pour corriger le chromatisme), puis progressivement, avec l’avènement des capteurs digitaux qui permettent de manipuler les images après leur acquisition, certaines équipes de chercheurs envisagent tout simplement de remplacer les optiques réfractives et réflectives, par des composants diffractifs, afin de réaliser des systèmes légers, peu coûteux et compacts.

L’imagerie à partir d’optiques binaires est prisée dans le domaine des rayons gamma et des rayons X où la matière est très absorbante. Cela rend en effet délicat la réalisation de lentilles réfractives qui impose la variation des épaisseurs optiques importantes ou bien l’utilisation de miroirs où l’empilement de couches diélectriques réfléchissantes peut être problématique. Ainsi, l’utilisation d’optiques binaires permet de limiter l’absorption du rayonnement tout en apportant une fonction de focalisation.

Dans cet article, les composants optiques binaires considérés sont les seuls « ingrédients » optiques pour former une image, avec un focus sur les optiques binaires focalisantes dont les propriétés d’imagerie sont proches de celles des optiques conventionnelles. Le formalisme de formation d’image sera rappelé dans un premier temps pour introduire les fonctions de mérite associées (ouverture, fonction de transfert, fonction d’étalement de point…). Plusieurs exemples d’optiques binaires focalisantes sont ensuite détaillés. Pour chacun, les équations utiles à leur modélisation sont décrites, ainsi que des exemples d’application à l’imagerie.

Enfin, un tableau comparatif est exposé récapitulant les différentes optiques binaires présentées avec leurs caractéristiques.

La notion d’optique binaire est étendue en annexe au domaine des optiques multi-niveaux pouvant être réalisées avec un unique masque de photolithographie, parents proches de la famille des optiques binaires.

Cet article constitue le premier volet d’une série de deux articles, il traite des aspects conventionnels d’imagerie, tandis que le second article[E 4 046] explore des approches moins conventionnelles basées sur des optiques binaires dites auto-imageantes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles et notations utilisés.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e4045


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Version en anglais English

2. Sténopé

Le sténopé est l’optique binaire étudiée la plus ancienne de l’histoire de l’humanité  . Cela s’explique par le fait que le sténopé est un composant simple, peu cher, facilement réalisable et robuste : il est constitué par une surface optique ouverte en un petit diaphragme. L’érudit arabe Ibn al-Haytham au X e siècle observait les éclipses solaires avec un sténopé. Au XV e siècle, le sténopé fut intégré par Della Porta dans une chambre obscure qui donna le nom de camera obscura. Le sténopé fut ensuite délaissé dans le domaine du visible au profit des lentilles qui combinent une grande capacité à collecter la lumière avec la capacité à former des images de meilleure qualité.

Si le sténopé est grand devant la longueur d’onde, il formera une tache image sur le plan du détecteur qui peut être facilement décrite par un effet d’ombrage. Si le sténopé est proche de la longueur d’onde, alors ce dernier aura un comportement diffractif.

Dans la suite, nous nous intéressons au cas FN < 1 pour le sténopé (encadré 2). Dans cette condition, le sténopé a un comportement diffractif très particulier illustré à la figure 7. Nous avons pris pour cet exemple un sténopé circulaire de diamètre 260 μm éclairé par une onde plane (L = ∞) de longueur d’onde 4 μm. En plaçant le plan d’imagerie à une distance de 10 mm du sténopé, nous avons un FN égal à 0,4 (soit inférieur à 1). La répartition de l’intensité...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WANG (S.), BERNABEU (E.), ALDA (J.) -   Unified and generalized Fresnel numbers.  -  Optical and Quantum Electronics, 24, p. 1351-1358 (1992).

  • (2) - GOODMAN (J.) -   Introduction to Fourier optics.  -  Mc Graw-Hill, New York, p. 30-56 (1968).

  • (3) - JAROSZEWICZ (Z.), BURVALL (A.), FRIBERG (A.T.) -   Axicon – The most important optical element.  -  Optics and Photonics News, 16(4), p. 34-39 (2005).

  • (4) - WILK (S.R.) -   Ancient optics : producing magnification without lenses.  -  Opt. Photon. News, p. 12-13, avr. 2006.

  • (5) - DRUART (G.) -   Nouvelles briques de conception de systèmes intégrés pour la vision infrarouge. D’une approche minimaliste à la camera sur puce.  -  Thèse (2009).

  • (6) - DENIS (L.), FOURNIER (C.), FOURNEL (T.), DUCOTTET (C.), JEULIN...

1 Outils logiciels

Unified optical design software « Wyrowski VirtualLab Fusion », developed by Wyrowski Photonics UG, distributed and supported by LightTrans GmbH, Jena, Germany

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

L’étude des optiques binaires est une discipline ancienne et appartient à la boîte à outil du chercheur/ingénieur qui pourra revisiter ces concepts en fonction de ses besoins applicatifs. Le gros du travail actuel en photolithographie se situe dans le domaine des nanotechnologies et de la plasmonique qui ne sont pas traitées dans cet article. Les équipes mentionnées ci-dessous ont publié des documents qui ont inspiré cet article, ou bien leurs travaux sont connus par les auteurs. Néanmoins, leurs thèmes de recherche peuvent être aujourd’hui assez éloignés des optiques binaires.

Fraunhofer IOF, Institute for optics and precision https://www.iof.fraunhofer.de/en.html

EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne https://www.epfl.ch/

University of Osaka http://www.osaka-u.ac.jp/en

Recherche & Technologie, Thales Group https://www.thalesgroup.com/fr/global/innovation/recherche-technologie

Institut d’Optique, Laboratoire Charles Fabry https://www.institutoptique.fr/Laboratoire-Charles-Fabry

CEA LETI http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti

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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

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