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RÉSUMÉ
Les optiques binaires sont des composants optiques codés par une succession de motifs, soit opaques ou transparents, soit gravés ou non gravés. Cet article traite plus particulièrement des Composants Optiques Binaires Auto-Imageant. Les COBAI sont des composants qui ont pour spécificité de répéter, selon l’axe de propagation de la lumière, un même motif de diffraction, certains même de canaliser la lumière selon des lignes focales. Cela leur donne des propriétés d’imageries remarquables différentes de celles des optiques conventionnelles.
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Binary optics are optical components coded by a succession of patterns, either opaque or transparent; or etched or not etched. In particular, this paper studies the Self-Imaging Binary Optical Components (COBAI). COBAI are optical components that have the property to replicate, along the propagation axis of light, a single diffractive pattern, some of them being able to channel the light along focal lines. This property provides them outstanding imagery properties different from the ones of conventional optics.
Auteur(s)
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Guillaume DRUART : Chercheur, ingénieur Supoptique ONERA Palaiseau, France
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Florence DE LA BARRIERE : Chercheur, ingénieur Supoptique ONERA Palaiseau, France
-
Nicolas GUERINEAU : Chercheur, Ingénieur Supoptique ONERA Palaiseau, France
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.
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 des épaisseurs optiques importantes ou bien l’utilisation de miroirs où l’empilement de couches diélectriques réfléchissantes peut être problématique. Avec l’avènement des capteurs digitaux, qui permettent de manipuler les images après leur acquisition, certaines équipes de chercheurs envisagent maintenant de mettre à profit des propriétés d’imagerie originales des optiques diffractives pour remplacer les optiques réfractives et réflectives, afin de réaliser des systèmes légers, peu coûteux et compacts. En effet, la présence systématique de caméras dans les smartphones a permis de réduire considérablement le coût des capteurs d’imagerie. La réalisation de senseurs bas coût à partir de composants peu onéreux pour des applications domotiques rend les composants binaires attractifs également dans le domaine du visible et de l’infrarouge.
Cet article met en avant les capacités d’imagerie des Composants Optiques Binaires Auto-Imageants (COBAI). Ceux-ci ont la propriété de répéter un même motif de diffraction, certains même canalisent la lumière selon des lignes focales. Les COBAI considérés sont les seuls « ingrédients » optiques pour former une image.
Le formalisme de formation d’image ne sera pas rappelé dans cet article, le lecteur pourra se reporter à l’article [E 4 045]. Par contre, plusieurs exemples de COBAI sont détaillés. Pour chacun, les équations utiles à leur modélisation sont décrites, ainsi que des exemples d’application à l’imagerie.
Tout au long de l’article, des encadrés abordent des effets originaux des différents COBAI.
Enfin, un tableau comparatif est exposé récapitulant les COBAI présentés avec leurs caractéristiques. Ils sont comparés avec les optiques binaires focalisantes développées dans l’article [E 4 045].
Le lecteur trouvera en fin de l’article un tableau de sigles, notations et symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
diffraction | imagery | binary optics
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Sigles, notations et symboles
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5. Conclusion
Plusieurs optiques binaires auto-imageantes, appelées COBAI, ont été présentées et sont rappelées à la figure 36. Nous avons montré leur propriété d’imagerie et avons dressé un formalisme pour les comparer à des systèmes d’imagerie plus classiques et aux optiques binaires focalisantes abordées dans l’article [E 4 045].
Ces optiques ont comme parent initial le sténopé, composant connu depuis l’Antiquité et qui, lorsque sa taille devient petite devant la longueur d’onde, se révèle avoir des propriétés diffractives. Les autres composants peuvent être vus comme une évolution du sténopé. Il s’agit soit de le faire évoluer tout en restant dans une architecture monovoie, en faisant croître des anneaux ou des ouvertures circulaires autour de ce dernier et nous obtenons un réseau zoné, un tamis à photon ou un réseau circulaire. Ou bien, il peut être périodiser pour s’orienter vers des architectures multivoies. Selon la taille des sténopés, nous pouvons alors réaliser un masque codé qui produit une image par effet d’ombrage ou bien un système projetant un motif diffractif par effet Talbot. Quant au CSIG, il peut être vu comme une périodisation d’un réseau annulaire.
Ces évolutions du sténopé permettent de corriger certains de ses défauts comme un faible bilan radiométrique et une faible résolution angulaire. Néanmoins, comparés à des systèmes plus classiques à bases d’optiques réfractives et réflectives, ces composants auront du mal à égaler leurs performances. Ils seront utilisés dans des domaines où l’absorption des matériaux pose problème, comme les rayons X et les rayons gamma, ou dans des niches technologiques pour réaliser des capteurs frustres. En effet, dans des applications concurrencées par les systèmes optiques de téléphones portables par exemple, ces composants devront viser, grâce à leur simplicité de réalisation, des systèmes extrêmement bas...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DRUART (G.) - Nouvelles briques de conception de systèmes intégrés pour la vision infrarouge. D’une approche minimaliste à la camera sur puce. - Thèse (2009).
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(2) - DICKE (R.H.) - Scatter-hole cameras for X-rays and gamma rays. - Astrophys. J., 153, p. L101 (1968).
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(3) - WOUTERS (A.), SIMON (K.M.), HIRSCHBERG (J.G.) - Direct method of decoding multiple images. - Appl. Opt., 12, p. 1871-1873 (1973).
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(4) - FENIMORE (E.E.), CANNON (T.M.) - Uniformly redundant arrays : digital reconstruction methods. - Appl. Opt., 20, p. 1858-1864 (1981).
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(5) - GOTTESMAN (S.R.) - Coded apertures : past, present, and future application and design. - Proc. SPIE 6714, Adaptive Coded Aperture Imaging and Non-Imaging Sensors, p. 671405, 26 sept. 2007.
-
(6) - FENIMORE...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
M. Piponnier, J. Primot, G. Druart et N. Guérineau, « Procédé et dispositif d’imagerie télémétrique », FR2994735(B1), EP2700902(B1), US2014055606(A1), JP2014041126(A), CN103632161(A), 2012
HAUT DE PAGE
https://en.wikipedia.org/wiki/Coded_aperture
https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Uniformly_Redundant_Array
HAUT DE PAGE
Unified optical design software « Wyrowski VirtualLab Fusion », developed by Wyrowski Photonics UG, distributed and supported by LightTrans GmbH, Jena, Germany
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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...
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