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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

Glossaire
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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9. Glossaire

Réponse Impulsionnelle (RI)

Fonction décrivant l’image d’un point par un instrument optique. Aussi appelée Fonction d’Étalement du Point (FEP), ou Point Spread Fonction (PSF).

Fonction de Transfert Optique (FTO) ; Optical Transfer Function (OTF)

Fonction décrivant l’image d’un point par un instrument optique dans l’espace de Fourier. La fonction de transfert optique est la transformée de Fourier de la FEP.

limite de diffraction

Plus haute fréquence spatiale pouvant être transmise par un système optique imageur. Autrement dit, paramètre correspondant à la borne supérieure des fréquences spatiales pour lesquelles le module de la FTO est non nulle.

turbulence atmosphérique

Mouvements tourbillonnaires complexes observés au sein de l’atmosphère. Dans cet article, par extension, on désigne par turbulence atmosphérique les inhomogénéités spatiales et temporelles de l’indice de réfraction qui perturbent la propagation des ondes optiques dans l’atmosphère libre.

analyseur de surface d'onde

Dispositif électro-optique fournissant une mesure des perturbations du front d’onde.

miroir déformable

Composant électro-optique, utilisant une surface réfléchissante déformée pour introduire des avances et des retards de phase sur l’onde optique incidente. Les miroirs déformables constituent les éléments correcteurs des systèmes d’optique adaptative.

étoile laser

Source créée par un laser pour la mesure des perturbations du front d’onde par optique adaptative. Dans le cas de l’imagerie à travers l’atmosphère turbulente, la source est obtenue soit par diffusion Rayleigh dans la troposphère, soit par diffusion résonante dans le sodium présent dans la haute atmosphère, vers 90 km d’altitude.

OA tomographique

Système d’optique adaptative exploitant plusieurs directions de mesure pour corriger la turbulence atmosphérique dans une ou un ensemble de directions choisies, généralement différentes des directions de mesure.

rapport de Strehl

Si on considère l’image d’un point source donnée par un système optique, rapport égal à l’intensité sur axe obtenue avec le système considéré, divisée par l’intensité sur axe mesurée avec un système optique limité par la diffraction, de...

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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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