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1 - FORMATION D’IMAGE ET ABERRATIONS

2 - PRINCIPE DE L’OPTIQUE ADAPTATIVE

3 - ANALYSE DE SURFACE D’ONDE

4 - CORRECTEURS OPTIQUES

5 - ASSERVISSEMENT

6 - QUELQUES ÉLÉMENTS DE DIMENSIONNEMENT D’UNE OPTIQUE ADAPTATIVE

7 - APPLICATIONS DE L’OPTIQUE ADAPTATIVE

8 - CONCLUSION

9 - GLOSSAIRE

10 - SIGLES

Article de référence | Réf : E6290 v1

Correcteurs optiques
Optique adaptative - Principe et applications

Auteur(s) : Vincent MICHAU, Cyril PETIT

Relu et validé le 27 mai 2021

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RÉSUMÉ

L’optique adaptative est une technique qui s’impose dans des domaines de plus en plus variés. Développée initialement pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, elle est aujourd’hui appliquée à l’imagerie biomédicale comme aux grandes chaînes laser. Cet article en présente son principe, les techniques et composants sur lesquels elle s’appuie et donne quelques règles pour les mettre en œuvre. Enfin, il introduit les principaux défis qui s’ouvrent dans les années à venir pour lever les verrous qui limitent encore son utilisation.

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ABSTRACT

Adaptive Optics - Principle and applications

Adaptive optics is a technique that is becoming increasingly popular in a variety of fields. Initially developed to correct the effects of atmospheric turbulence, it is today applied to biomedical imaging as well as to large laser chains. This article presents its principle, the techniques and components on which it is based, and gives some rules to implement them. Finally, it introduces the main challenges that are opening up over the years to lift the locks that still limit its use.

Auteur(s)

  • Vincent MICHAU : Adjoint scientifique - Département d’Optique et Techniques Associées, Onera, Palaiseau, France

  • Cyril PETIT : Maître de Recherche - Département d’Optique et Techniques Associées, Onera, Palaiseau, France

INTRODUCTION

I’optique adaptative est un concept ancien, une légende datant de l’Antiquité attribue à Archimède d’avoir embrasé les galères ennemies durant le siège de Syracuse grâce à de grands miroirs orientés pour focaliser les rayons du Soleil. Sous Louis XIV, cette expérience est reproduite par Buffon : le miroir formé de facettes orientables réalisé à cette occasion est encore visible au musée des Arts et Métiers à Paris. Finalement, en 1953, HW. Babcock prend en compte le caractère ondulatoire de la lumière et expose le principe de l’optique adaptative « moderne ».

Néanmoins, sans la technologie adéquate, les concepts les plus prometteurs ne peuvent pas aboutir. Il faut attendre les années 1970, pour voir l’apparition des premiers miroirs déformables, des calculateurs rapides, et des caméras numériques, puis le développement de systèmes d’optique adaptative. L’effort est mené sous l’impulsion de la défense américaine pour la focalisation des faisceaux laser de très haute puissance dans l’atmosphère, dans le contexte de la guerre des étoiles. La communauté astronomique s’empare ensuite de cette technologie pour accéder aux performances ultimes des grands télescopes au sol. En effet, bien qu’il soit théoriquement possible d’atteindre la résolution imposée par la diffraction par traitement d’image, l’optique adaptative est incontournable pour concentrer le signal, améliorer sa détection et accéder à la sensibilité ultime de ces instruments. Ainsi dans les années 1980, industriels et chercheurs européens unissent leurs forces et aboutissent à la première démonstration de l’optique adaptative pour l’astronomie à la fin de la décennie.

Depuis cette date, l’évolution de l’optique adaptative est faite d’allers-retours permanents entre développements technologiques et développements de concepts. Dans une première phase, les astronomes, très actifs, ont poursuivi sur la voie de leur succès, travaillant sans cesse à développer de nouveaux concepts pour repousser les limites de l’optique adaptative. Aujourd’hui, la quasi-totalité des grands télescopes sont équipés d’optiques adaptatives toujours plus ambitieuses, mais toujours plus coûteuses. Parallèlement, d’autres communautés scientifiques se sont approprié cette technologie. La première a été celle des grands équipements, comme les grands lasers de puissance, pour lesquels l’investissement associé au développement de composants dédiés, notamment les miroirs déformables, n’était pas un obstacle. Les ophtalmologistes et les microscopistes ont à leur tour mis en œuvre cette technologie, pour améliorer la résolution de leurs dispositifs d’imagerie et la focalisation des lasers dans les milieux biologiques. L’intérêt de la communauté biomédicale pour l’optique adaptative a poussé à une réelle démocratisation des composants (miroirs déformables, calculateurs temps réels, caméras rapides). Cette démocratisation a suscité en retour l’intérêt de nombreux ingénieurs et chercheurs qui s’en emparent pour des applications de plus en plus variées. Ainsi, l’optique adaptative devrait être un élément clé des futures liaisons optiques en espace libre.

L’objectif de cet article est de poser les bases de l’optique adaptative pour les ingénieurs et chercheurs qui souhaitent aborder le sujet. Compte tenu de l’étendue des applications et de la diversité des concepts développés, cet article ne peut pas être exhaustif. Après des rappels sur la formation d’image et l’atmosphère turbulente, il introduit les principaux types d’analyseurs de surface d’onde et de miroirs déformables susceptibles d’être utilisés en fonction des applications. En s’appuyant sur des modèles simples, il décrit les règles et la démarche à suivre pour dimensionner une optique adaptative et spécifier analyseur et miroir déformable. Une dernière partie est consacrée à ses principales applications.

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

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6290


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4. Correcteurs optiques

Le besoin de maîtriser le front d’onde a suscité l’émergence de nombreuses technologies, telles que les miroirs déformables, les modulateurs à cristaux liquides, les lentilles liquides etc. Dans le cadre de l’OA, le choix du correcteur doit être guidé par la capacité à reproduire avec une précision donnée une aberration variable dans le temps. Ainsi, la performance du correcteur doit être analysée au travers de ses caractéristiques spatio-temporelles. Nous nous concentrons dans cette analyse sur les Miroirs Déformables (MD), qui présentent entre autres avantages d’être achromatiques et de corriger de nombreux modes avec une bande passante généralement bien supérieure à celle présentée par les autres solutions précédemment évoquées. Ils équipent ainsi la majorité des systèmes d’OA. Nous écartons aussi les miroirs dits « actifs », visant à corriger des phénomènes quasi statiques ou lentement variables et associés à des optiques actives, et dont les caractéristiques temporelles sont ainsi notablement différentes. De nombreux paramètres doivent être pris en compte dans le choix d’un miroir déformable, nous considérons ici les éléments clefs, conditionnant le dimensionnement de l’OA. Les principales technologies sont présentées avec leurs caractéristiques essentielles. Plus de détails, notamment sur les technologies et fournisseurs, peuvent être trouvés dans .

4.1 Principales caractéristiques des miroirs déformables

De manière générale, les miroirs déformables se résument à une surface réfléchissante déformée par l’action d’un ensemble d’éléments...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GOODMAN (J.W.) -   Introduction to Fourier Optics.  -  Roberts and Company Publishers (2005).

  • (2) - MARÉCHAL (A.) -   Étude des effets combinés de la diffraction et des aberrations géométriques sur l’image d’un point lumineux.  -  Éditions de la Revue d’optique théorique et instrumentale (1948).

  • (3) - BORN (M.), WOLF (E.) -   Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light.  -  Elsevier (2013).

  • (4) - KOLMOGOROV (A.N.) -   Local turbulence structure in incompressible fluids at very high Reynolds numbers.  -  In: Dokl Akad Nauk SSSR (1941).

  • (5) - OBUKHOV (A.) -   Temperature field structure in a turbulent flow.  -  Izv Acad Nauk SSSR Ser Geog Geofiz. 13:58-69 (1949).

  • (6) - FRIED...

1 Outils logiciels

OOMAO, simulateur d’optique adaptative Matlab orienté objet, environnement numérique d’OA le plus utilisé de facto, intégrant des fonctions adaptées pour :

  • simulations de Monte-Carlo en optique physique,

  • études analytiques d’OA

  • conduite d’expériences optiques Hardware-in-the-Loop.

https://github.com/cmcorreia/oomao

HAUT DE PAGE

2 Événements

AO4ELT : congrès bisannuel dédié à l’optique adaptative pour les ELT et leurs instruments

http://ao4elt6.copl.ulaval.ca/

Alternativement avec SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation

https://spie.org/conferences-and-exhibitions/astronomical-telescopes-and-instrumentation

AOIM : International Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine.

https://www.aoimxii.org/delft

JRIOA : club SFO, session de la conférence bisannuelle de la SFO.

https://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-optique-adaptative/

Conférence OSA : Imaging and Applied Optics

...

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