Interféromètre - ou - Capteur de front d'onde

jarek

La technologie évolue, tout comme les capteurs de front d'onde. La densité d'échantillonnage du front d'onde est l'une des améliorations notables. Les capteurs HASO LIFT proposés par Imagine Optics et le capteur QWLSI de Phasics en sont des exemples. Les techniques permettant d'obtenir cette densité d'échantillonnage améliorée diffèrent.

La technique LIFT (Linearized Focal-plane Technique) est une nouvelle version de la méthode utilisée autrefois pour maintenir la mise au point dans les lecteurs de DVD et de CD. Une lentille cylindrique était ajoutée pour fournir un astigmatisme supplémentaire (dans l'axe) sur le trajet du faisceau réfléchi. Lorsque le disque est au point, le détecteur à quadrant affiche le même signal dans les deux cellules diamétralement opposées. Lorsque le disque n'est pas focalisé, il y a une différence, y compris de signe, qui peut être utilisée comme retour d'information.

Dans le même esprit, la technique LIFT ajoute un astigmatisme sur l'axe, mais échantillonne le point focal avec une résolution beaucoup plus élevée et, de cette manière, peut résoudre beaucoup plus de termes qu'une simple courbure du front d'onde.

L'approche QWLSI phasique, quant à elle, utilise l'interférence pour créer un motif de frange bidimensionnel. En utilisant les méthodes de franges de Fourier, deux gradients de front d'onde sont extraits et intégrés pour obtenir le front d'onde.

Interférométrie, précision et résolution

Bien qu'il semble que LIFT et QWLSI n'aient rien en commun, c'est pourtant le cas. Aucun d'entre eux ne peut mesurer la déviation en termes absolus sur le système de miroir déformable esquissé ci-dessous. Est-ce important ? Cela dépend de ce que l'on veut obtenir. L'objectif est de mesurer la forme du miroir en fonction du signal, ce qui, dans de nombreux cas, est tout à fait suffisant. Dans l'exemple du croquis ci-dessous, où nous ne pouvons pas voir l'intégralité du miroir, nous n'avons pas de chance.

Esquisse de miroir déformable — Croquis d'un miroir déformable

Le terme de piston, si souvent ignoré, n'est pas le fruit de l'imagination de quiconque. Pour un interféromètre bien conçu, il peut être un atout fiable pour toutes sortes d'applications. Ce miroir déformable est peut-être ésotérique, mais l'étalonnage d'un modulateur de phase à cristaux liquides peut en faire bon usage. Le cas optique est assez similaire. L'ouverture claire n'est pas reliée à une phase fixe, et les champs de franges dévaluent l'efficacité de l'utilisation de la valeur intégrée d'un gradient de phase.

Précision et degrés de liberté ouverts

Tout d'abord, qu'est-ce que j'entends par degrés de liberté ouverts ? Il s'agit des degrés de liberté qui contribuent directement à l'erreur de mesure. Ils peuvent être étalonnés, et ils le sont généralement, mais il s'agit d'une sensibilité linéaire. Un exemple typique est le déplacement des micro-lentilles dans un réseau de micro-lentilles qui, s'il n'est pas calibré, rend les capteurs Shack-Hartmann pratiquement inutiles pour des mesures précises du front d'onde. Les sensibilités des pixels de l'appareil photo sont-elles ouvertes ? Pour le capteur de Shack-Hartmann, les sensibilités linéaires des détecteurs semblent ouvertes, puisqu'elles remodèlent individuellement les intensités enregistrées, mais en supposant que les sensibilités restent linéaires et constantes, elles disparaissent dans l'étalonnage déjà présent des centres des points.

Les interféromètres sont-ils nécessairement précis ? Non, évidemment. De nombreux éléments contribuent à l'erreur totale. Cependant, comparé à la plupart des solutions de détection de front d'onde, en tant que concepteurs de systèmes optiques, nous pouvons avoir un certain niveau de contrôle. Comme Senslogic développe son propre capteur Shack-Hartmann, nous sommes conscients de la valeur de l'étalonnage de ces dispositifs et des efforts qui y sont consacrés. Cela dit, lorsqu'il s'agit de précision ultime, rien ne vaut une métrologie dont la précision peut être tracée jusqu'à un seul élément de précision.

L'exemple parfait est l'interféromètre à déphasage, ou peut-être aurais-je dû écrire, a interféromètre à déphasage pour souligner que le déphasage est un élément qui renforce un interféromètre spécifique.

Déphasage

Passons brièvement en revue la méthode du déphasage et ce qu'elle a de particulier. Pratiquement tous les dispositifs interférométriques peuvent être améliorés par le déphasage, ce qui signifie que l'un des deux chemins que la lumière peut emprunter ajoute une distance supplémentaire bien connue, inférieure à la longueur d'onde, afin de transformer l'analyse des franges en une simple équation de la phase relative entre les chemins.

Le déphasage n'est en aucun cas une nouvelle technologie, et dans la littérature passée, vous trouverez des méthodes assez élaborées impliquant de nombreux pas de phase afin de surmonter les insuffisances de la technologie dominante disponible à l'époque. Cependant, le pas de phase de 90°, introduit dès le début, offre une telle annulation d'erreur intégrée que, pendant au moins deux décennies, il n'y avait aucune raison d'utiliser autre chose pour analyser une configuration d'interférence à deux faisceaux.

L'expression résultante pour la phase,

I_3 - I_1 &= 4 A B \cos(\phi)\\N- I_2 &= 4 AB \Nsin(\phi)) I_0 - I_2 &= 4 AB \sin(\phi) \Nend{align} \]

où l'indice indique le nombre de pas de 90° que nous avons effectués avec notre actionneur. A et B sont les amplitudes réelles des deux faisceaux qui interfèrent, réelles parce que nous avons déplacé la différence de phase entre eux dans la phase. Il est encore plus important de noter que, lorsque les intensités sont enregistrées sur une caméra, chaque pixel nous donne une des paires d'expressions ci-dessus à résoudre, où il suffit de diviser,

\[\frac{I_0 - I_2}{I_3 - I_1} = \frac{\sin(\phi)}{\cos(\phi)}\]

L'expression ci-dessus est maintenant exempte de A et de B. Il s'agit en fait d'un problème plus important qu'il n'y paraît à première vue, car A et B dépendent tous deux de la sensibilité des pixels de la caméra qui les a enregistrés à la position donnée, et ils ont maintenant disparu. Nous n'avons pas non plus mentionné que chacune des intensités peut avoir été enregistrée dans un laboratoire où il y a une source de lumière de fond. Cette contribution a disparu dans la différence entre les intensités au numérateur et au dénominateur.

Le pas de phase de 90° est parfois appliqué comme une mesure 4+1 où le déphasage (apparemment) redondant de 360° est mesuré. Aussi rudimentaire qu'elle puisse paraître, l'approche 4+1 supprime les non-linéarités du détecteur de deuxième, voire de troisième ordre et les erreurs d'échelle de l'actionneur. Le module PSI dans WaveMe propose à la fois la méthode des 4 images et celle des (4+1) images qui, à défaut d'autre chose, peuvent être utilisées pour vérifier que les hypothèses que nous pouvons avoir concernant notre configuration sont correctes.

Avec le déphasage, nous devons avant tout nous assurer que les différences entre les intensités capturées ne reflètent que l'effet de notre actionneur, et comme les images sont enregistrées à des moments différents, toute variation temporelle apparaîtra comme une erreur. Il existe des méthodes qui capturent les quatre phases simultanément, mais cela nécessite une caméra très différente et l'analyse des erreurs sera également très différente. James C. Wyant est un partisan très respecté de cette approche.

Résumé

Avec ce discours technique, j'ai voulu éclairer certains points à prendre en compte lorsque l'on est confronté au choix d'utiliser un capteur Shack-Hartmann ou un interféromètre. Si vous optez pour le premier, il existe des produits à haute résolution sur le marché. Si la résolution n'est pas celle que vous recherchez, il n'y a pas grand-chose à faire, si ce n'est chercher une autre solution. Il en va de même si vous avez besoin du terme de piston, ou de la moyenne de la différence de longueur de chemin. Votre choix se porte alors sur l'interféromètre à déphasage. Si vous n'êtes pas satisfait de la résolution, choisissez une autre caméra. Vous avez le contrôle. Cela ne change rien à l'application. Il n'y a pas de nouvel étalonnage. Pour prendre un exemple de mon passé, il se trouve que j'ai utilisé ce qui se trouvait sur la table à ce moment-là, c'est-à-dire une caméra destinée à la vidéo (la différence n'est pas si grande), mais le fait est qu'avec une telle compensation intégrée, vous n'avez pas besoin de vous préoccuper beaucoup plus que de votre propre configuration optique.