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Title:
OPTICAL SYSTEM COMPRISING AN OPTICAL PHASE AND/OR AMPLITUDE MASK FILTER HAVING A PERIODIC STRUCTURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/086539
Kind Code:
A1
Abstract:
The general field of the invention is that of optical wavefront coding systems comprising an optical phase mask filter (L). The phase and/or amplitude profile of the phase mask filter according to the invention is formed by an elementary phase structure that is repeated periodically to form a preset grid (M) that may be matricial or hexagonal in form. This arrangement allows a certain number of problems with optical quality to be overcome, which problems are especially related to eye movements in the pupil of the optical system.

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Inventors:
DIAZ FRÉDÉRIC (FR)
LEE-BOUHOURS MANE-SI LAURE (FR)
ROLLIN JOËL (FR)
LOISEAUX BRIGITTE (FR)
REJEAUNIER XAVIER (FR)
Application Number:
EP2013/073075
Publication Date:
June 12, 2014
Filing Date:
November 05, 2013
Export Citation:
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Assignee:
THALES SA (FR)
International Classes:
G02B27/00; G02B5/32
Domestic Patent References:
WO2006001785A12006-01-05
WO2012032045A12012-03-15
WO2007141788A22007-12-13
WO2004090581A22004-10-21
WO2006001785A12006-01-05
Foreign References:
EP2302421A12011-03-30
US20050088745A12005-04-28
US7589900B12009-09-15
US6069738A2000-05-30
Other References:
F.DIAZ; F.GOUDAIL; B.LOISEAUX; J.P. HUIGNARD: "Design of a complex filter for depth of focus extension", OPTICS LETTERS, vol. 34, 2009, pages 1171 - 1173
"Increase in depth of field taking into account deconvolution by optimization of pupil mask", OPTICS LETTERS, vol. 34, 2009, pages 2970 - 2972
"Comparison between a new holographically generated complex filter and the binary phase filter for depth of field extension", SPIE, vol. 7329, 2009
"Optimization of hybrid imaging systems including digital deconvolution in the presence of noise", IMAGING SYSTEMS, 2010
Attorney, Agent or Firm:
BREDA, Jean-Marc et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Système optique à codage de pupille comportant un filtre optique (L) à masque de phase et /ou d'amplitude, caractérisé en ce que le profil de phase et/ou d'amplitude dudit filtre à masque de phase et /ou d'amplitude est au moins constitué par un maillage comportant une pluralité de mailles élémentaires (M) sensiblement identiques, chaque maille comportant un motif de phase sensiblement identique d'une maille à l'autre, le profil de phase et/ou d'amplitude comportant de plus une phase variable linéairement selon une direction prédéterminée.

2. Système optique à codage de pupille selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la maille élémentaire (M) est un carré ou un rectangle, le maillage du filtre étant matriciel.

3. Système optique à codage de pupille selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la maille élémentaire (M) est un hexagone, le maillage du filtre étant en nid d'abeille.

4. Système optique à codage de pupille selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la maille élémentaire (M) est un secteur circulaire centré sur le centre du filtre. 5. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de la maille élémentaire est comprise entre quelques millimètres carrés et quelques centimètres carrés. 6. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil de phase et/ou d'amplitude du motif de phase élémentaire est de type cubique ou CPP ou trigonométrique ou annulaire ou polynomial.

7. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, le filtre à masque de phase étant une lame mince, le profil de phase est obtenu par la variation d'épaisseur de ladite lame.

8. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, le filtre à masque de phase étant une lame mince, le profil de phase est obtenu par la variation d'indice optique de la dite lame.

9. Système optique à codage de pupille selon la revendication 8, caractérisé en ce que la variation d'indice optique est obtenue par la mise en place sur au moins l'une des faces de la lame de structures sub-longueur d'onde, l'indice optique étant une fonction de la densité et/ou de la taille des dites structures sub-longueur d'onde.

10. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique est du type objectif.

1 1 . Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le système optique est du type oculaire. 12. Système optique à codage de pupille selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre optique à masque de phase est disposé dans ou au voisinage immédiat de la pupille du système optique.

Description:
Système optique comportant un filtre optique à masque de phase et/ou d'amplitude à motif périodique

Le domaine de l'invention est celui des systèmes optiques dits à « codage de pupille » et comportant un filtre de phase et/ou d'amplitude. Le domaine plus particulier de l'invention est celui des systèmes de visualisation permettant la projection d'une image aérienne vers l'œil d'un utilisateur, systèmes dits « oculaires ».

Le principe général du codage de pupille est d'introduire dans une combinaison optique un filtre, généralement un filtre de phase, qui va faciliter le post-traitement de l'image. Les utilisations sont nombreuses. On peut ainsi simplifier la combinaison optique ou la rendre insensible à certains défauts comme la défocalisation, de façon à obtenir soit une image avec une grande profondeur de champ, soit un système insensible aux variations de l'environnement.

Il existe deux modes principaux d'utilisation du codage de pupille. Ces modes sont représentés en figures 1 et 2. Le premier mode illustré en figure 1 est appelé « Imagerie hybride à codage de pupille classique ». Un système optique S forme d'un objet f une image f sur la surface photosensible d'une caméra C. Sur les différentes figures, l'objet f est un aéronef. Le système S comporte au niveau de sa pupille un filtre optique à codage de pupille L. L'image f est traitée numériquement par un calculateur T et affichée sur un écran de visualisation E. Le principe de fonctionnement du filtre L est de réaliser la déconvolution par la réponse percussionnelle de l'optique S ou « PSF », acronyme de « Point Spread Function ». p est la réponse du système à un objet infiniment petit. Si l'on connaît la réponse percussionnelle p d'une optique, connaissant un objet f, l'image f de f donnée par l'optique S vaut :

f = f ®p ® étant le symbole de la convolution,

Dans l'espace de Fourier, espace des fréquences spatiales, on a : F' = F.P avec F', F et P transformées de Fourier de f, f et p

P est la fonction de transfert de modulation. Pour retrouver parfaitement l'objet f, il faudrait donc, dans cet espace, inverser F = F7P. Malheureusement, cette opération n'est pas toujours possible. Elle est même impossible quand P passe par zéro et est numériquement instable quand P est trop faible. Lorsque l'optique est défocalisée, la fonction P présente plusieurs zéros. Il faut donc la stabiliser pour augmenter la profondeur de champ. Des filtres L de phases spéciaux sont adaptés à cette tâche. Ainsi, cette technique nécessite d'une part un filtre de phase adapté à la fonction que l'on souhaite optimiser et d'autre part un traitement d'image permettant de réaliser l'opération de déconvolution.

Le second mode illustré en figure 2 est appelé « Imagerie hybride à codage de pupille inverse ». Il est voisin du précédent. Un premier système optique S' fait l'image f d'un objet f sur la surface photosensible d'une caméra C. Cette image f est traitée numériquement par un calculateur T pour donner une image f". Cette image f" est affichée sur un afficheur A. Un second système optique S" comportant un filtre L donne de cette image f" une image collimatée f" perçue par un observateur.

Ces techniques ont fait l'objet de différentes publications. Les points essentiels abordés sont les principes physiques permettant la correction des aberrations géométriques ou dynamiques ou la correction des défauts de focalisation et les principes techniques de réalisation des filtres de correction de phase ou d'amplitude. Les applications visées portent sur le domaine infrarouge, la micro-lithographie et plus généralement, le domaine de l'imagerie.

On citera tout particulièrement les brevets de la société CDM

OPTICS déposés par Edward Dowski concernant les principes physiques et en particulier les demandes de brevet WO/2004/090581 , WO/2006/001785, et le brevet US 6 069 738.

On citera également les quatre articles de F.Diaz, F.Goudail, B.Loiseaux et J.P. Huignard intitulés respectivement « Design of a complex filter for depth of focus extension », Optics Letters 34, 1 171 -1 173 (2009) - « Increase in depth of field taking into account déconvolution by optimization of pupil mask », Optics Letters 34, 2970-2972 (2009) - « Comparison between a new holographically generated complex filter and the binary phase filter for depth of field extension », SPIE, vol. 7329 (2009) - « Optimization of hybrid imaging Systems including digital deconvolution in the présence of noise » in Imaging Systems, OSA technical Digest, paper IMD4 (201 0).

Plusieurs types de filtres sont possibles, le plus simple étant constitué d'un saut de phase unique, proche d'une différence de phase valant π entre deux zones constituant l'une des surfaces du filtre. Le ratio entre les deux surfaces est optimisé pour obtenir le meilleur compromis possible entre le rapport signal à bruit noté S/B et la correction des défocalisations, pour obtenir des résolutions géométriques optimales.

D'autres filtres plus complexes peuvent être mis en œuvre et les géométries des masques décrites dans la littérature de l'art antérieur restent applicables à la correction des défocalisations:

Les masques dits cubiques dont la fonction de phase Φ(χ, y) dans un repère orthonormé (x, y) vaut : φ{χ, y) = .(x 3 + y 3 ) . Un tel type de filtre est représenté en vue tridimensionnelle en figure 3. Sur cette figure, la phase Φ(χ, y) est représentée dans le repère orthonormé (x, y) sous la forme d'une nappe quadrillée ;

Les masques dits CPP pour « Constant Profil Path » ;

Les masques dont la fonction de phase est une fonction trigonométrique ;

Les masques simplifiés annulaires composés d'anneaux concentriques, chaque anneau introduisant une phase constante et différente selon l'anneau ;

Les masques dits polynomiaux, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en x et en y. Lorsque le masque est à symétrie radiale, la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en r, r représentant la distance au centre du filtre ;

Les masques asymétriques ;

- Les masques dits semi-circulaires dont la variation de phase

Φ(χ, y) du filtre de phase vérifie l'équation ci-dessous, le filtre étant référencé dans un repère (x, y) en coordonnées cartésiennes ou (r, Θ) en notations polaires : ^x, y, r) = .sign(x).r fi OU (χ, γ, τ) = .sign{n.6).r p , a et β étant des constantes et la fonction sign(x) valant 1 lorsque x est positif et -1 lorsque x est négatif.

Le filtre de correction peut comporter également une fonction d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte, outre la fonction de phase, des zones à transmission optique variable.

Ces types de masques associés à du prétraitement fonctionnent bien pour la projection oculaire lorsque l'œil occupe une position nominale sur l'axe optique du système optique. Cependant, la qualité de l'image dépend de la position de l'œil, c'est-à-dire que, lorsque l'œil se déplace à l'intérieur de la boite à œil correspondant à l'espace définissant les positions d'observation possibles définies pour un système de visualisation donné, la qualité de l'image varie et se dégrade car la portion du masque vu à différentes positions de l'œil ne correspond plus au masque nominal qui n'est optimal que sur l'axe optique.

Ce problème est illustré sur les figures 4 et 5. La figure 4 représente un filtre de phase L. Les variations de phase sont représentées par des courbes de niveau équiphase C 0 représentées par des lignes en traits fins. La figure 5 représente la variation de la zone Z sélectionnée sur le filtre de phase L par un œil Y lorsqu'il se déplace perpendiculairement à l'axe optique d'un système optique S comportant ce filtre de phase. On appelle Z la zone sélectionnée sur l'axe et Z' la zone hors d'axe. Ces zones Z et Z' sont représentées par un cercle en trait gras sur la figure 4. Comme on le voit par l'allure des courbes de niveau, la variation de phase sélectionnée dans les zones Z et Z' varie de façon importante avec les déplacements de l'œil.

La qualité d'image dépend également du diamètre de la pupille d'œil. Ainsi, aux faibles éclairements, celui-ci augmente et les aberrations du système de reprise oculaire s'en trouvent amplifiées. D'autre part, en fonction de la position sur l'axe optique du filtre disposé soit dans la pupille, soit hors de la pupille par rapport au système optique, il est judicieux de faire un choix du type de masque que l'on veut utiliser, les masques n'étant pas sensibles de la même façon aux positions de l'œil dans la boîte à œil.

Ce défaut n'est pas acceptable et est même rédhibitoire pour l'utilisation du codage de pupille inverse dans le cas d'un système de projection oculaire. Il serait possible de faire des optimisations en prenant en compte les différentes positions de l'œil dans la boite à œil puis de moyenner de façon pondérée le masque. Cependant les masques adaptés à chaque position de l'œil étant généralement très différents, la technique d'optimisation n'est pas bien adaptée.

Le masque de phase selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il comporte un profil de phase constitué par un motif de phase élémentaire répété périodiquement selon un maillage prédéterminé. Il est donc beaucoup moins sensible aux déplacements de l'œil de l'utilisateur.

Plus précisément, l'invention a pour objet un système optique à codage de pupille comportant un filtre optique à masque de phase et /ou d'amplitude, caractérisé en ce que le profil de phase et /ou d'amplitude dudit filtre à masque de phase est au moins constitué par un maillage comportant une pluralité de mailles élémentaires sensiblement identiques, chaque maille comportant un motif de phase sensiblement identique d'une maille à l'autre.

Avantageusement, la maille élémentaire est un carré ou un rectangle, le maillage du filtre étant matriciel.

Avantageusement, la maille élémentaire est un hexagone, le maillage du filtre étant en nid d'abeille.

Avantageusement, la maille élémentaire est un secteur circulaire centré sur le centre du filtre.

Avantageusement, la surface de la maille élémentaire est comprise entre quelques millimètres carrés et quelques centimètres carrés.

Avantageusement, le profil de phase comporte de plus une phase variable linéairement selon une direction prédéterminée.

Avantageusement, le profil de phase et/ou d'amplitude du motif de phase élémentaire est de type cubique ou CPP ou trigonométrique ou annulaire ou polynomial.

Avantageusement, le filtre à masque de phase étant une lame mince, le profil de phase est obtenu par la variation d'épaisseur de ladite lame ou par la variation d'indice optique de la dite lame.

Avantageusement, la variation d'indice optique est obtenue par la mise en place sur au moins l'une des faces de la lame de structures sub- longueur d'onde, l'indice optique étant une fonction de la densité et/ou de la taille des dites structures sub-longueur d'onde.

Avantageusement, le système optique est du type objectif ou du type oculaire.

Avantageusement, le filtre optique à masque de phase est disposé dans ou au voisinage immédiat de la pupille du système optique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 déjà commentée représente un système à imagerie hybride à codage de pupille classique ;

La figure 2 déjà commentée représente un système à imagerie hybride à codage de pupille inverse ;

La figure 3 déjà commentée représente un filtre de phase à codage cubique selon l'art antérieur ;

Les figures 4 et 5 représentent la variation de la zone sélectionnée sur un filtre de phase selon l'art antérieur lorsque l'œil de l'utilisateur se déplace dans la pupille d'un système optique ;

La figure 6 représente un premier profil de phase d'un filtre de phase selon l'invention ;

La figure 7 représente un second profil de phase d'un filtre de phase selon l'invention. Pour pallier les difficultés précédentes, le profil de phase et/ou d'amplitude d'un filtre à masque de phase et/ou d'amplitude selon l'invention est constitué par un maillage comportant une pluralité de mailles élémentaires sensiblement identiques, chaque maille comportant un motif de phase sensiblement identique d'une maille à l'autre.

On comprend que, dans ce cas, lorsque l'œil de l'utilisateur se déplace dans la pupille, la zone sélectionnée correspondante sur le filtre comporte une variation de phase sensiblement identique quels que soient les déplacements de l'œil de l'utilisateur qui perçoit toujours une image nette et de bonne qualité aussi bien au centre de la pupille qu'en périphérie. La maille élémentaire peut avoir différentes formes géométriques de façon à couvrir au mieux la surface du filtre. Dans un premier exemple illustré en figure 6, la maille élémentaire M est un secteur circulaire centré sur le centre du filtre L. Sur cette figure comme sur la suivante, les variations de phase sont représentées par des courbes de niveau équiphase C 0 représentées par des lignes en traits fins. On voit qu'à une rotation près, elles sont identiques d'une maille à l'autre.

Dans un second exemple illustré en figure 7, la maille élémentaire M est un carré représenté en traits gras sur la figure 7. Là encore, les courbes de niveau équiphase C 0 sont identiques d'une maille à l'autre. Dans une autre version, on peut utiliser une maille hexagonale, en lieu et place de la maille carrée de la figure 7.

Généralement, la surface de la maille élémentaire M est comprise entre quelques millimètres carrés et quelques centimètres carrés.

Le profil de phase peut comporter une phase variable linéairement selon une direction prédéterminée que l'on appelle « tilt » de phase.

Le profil de phase et/ou d'amplitude du motif de phase élémentaire peut prendre toutes les formes classiques des profils de phase. A titre d'exemples, ce profil peut être de type cubique ou CPP ou trigonométrique ou annulaire ou polynomial.

Ces masques selon l'invention peuvent être fabriqués notamment par usinage diamant ou par usinage magnéto rhéologiques quand leurs déformées ne sont pas trop prononcées, ce qui est généralement le cas pour les applications dédiées aux applications dans le spectre visible, comme c'est nécessairement le cas pour les applications de type oculaire.

Différents matériaux sont envisageables pour la réalisation des masques. A titre non exhaustif, on peut citer différents verres, des couches de silice sur verre, des matériaux moulables comme le matériau connu sous la marque « GASIR® » et commercialisé par la société « Umicore Electro- Optics Materials », des matériaux plastiques, des polymères, le dioxyde de titane ou encore des matériaux semi-conducteurs comme le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium, le sulfure de zinc ou le séléniure de zinc.

Le filtre à masque de phase étant généralement une lame mince, le profil de phase peut être est obtenu par la variation d'épaisseur de ladite lame. Une autre possibilité technique consiste à coder la fonction de phase en utilisant un changement de l'indice effectif de la lame. Il existe différentes possibilités pour réaliser ce changement d'indice. Ainsi, on peut disposer des structures sub-longueur d'onde sur l'une des interfaces du filtre de phase ou sur les deux. Il s'agit alors d'utiliser des structures petites à l'échelle de la longueur d'onde et de faire varier localement soit la taille de ces structures pour synthétiser la distribution d'indice effectif désirée, soit leur densité. Généralement, la dimension de ces structures est au moins un ordre de grandeur inférieur à la longueur d'onde moyenne d'utilisation.

Ces masques peuvent aussi être hybrides dits « sur un niveau », c'est-à-dire comporter une première structure à hauteur variable associée à des secondes structures sub-longueur d'onde à l'intérieur du même filtre. En effet, il y a un intérêt à associer des zones de hauteur lentement variable fabriquées par usinage à des zones binaires sub-longueur d'onde de façon à synthétiser des zones à phase rapidement variable.

Ces masques peuvent aussi être hybrides dits « sur deux niveaux

», c'est-à-dire comporter une première structure à hauteur variable associée à des secondes et troisièmes structures sub-longueur d'onde. Cette dernière structure hybride présente un intérêt dans le cas où il est difficile d'obtenir un bon traitement antireflet sur le filtre par les moyens de couches minces classiques. Ces masques présentent plusieurs niveaux de structures sublongueur d'onde permettant d'associer la fonction de phase du masque destinée à assurer une correction de l'image avec cette fonction antireflet.

Comme il a été dit, le filtre optique à masque de phase et /ou d'amplitude selon l'invention s'applique tout particulièrement aux systèmes optiques de type oculaire dans lesquels la pupille est en fait celle de l'observateur qui est, par nature, mobile dans le champ image.

Cependant, le filtre selon l'invention s'applique également aux systèmes d'imagerie classique en codage de pupille. L'utilisation de tels masques permet d'élargir les tolérances de positionnement du filtre, donnant ainsi plus de liberté dans la conception et la réalisation du système optique.

L'augmentation de la latitude offerte permet de positionner le filtre en dehors de la pupille du système, ce qui constitue un avantage certain lorsqu'il n'est pas possible d'accéder à la pupille du système optique.