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WO2009092975A2 - Instrument et procede de caracterisation d'un systeme optique - Google Patents

Instrument et procede de caracterisation d'un systeme optique Download PDF

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WO2009092975A2
WO2009092975A2 PCT/FR2009/050064 FR2009050064W WO2009092975A2 WO 2009092975 A2 WO2009092975 A2 WO 2009092975A2 FR 2009050064 W FR2009050064 W FR 2009050064W WO 2009092975 A2 WO2009092975 A2 WO 2009092975A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
instrument
analysis
measurement
field
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/050064
Other languages
English (en)
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WO2009092975A3 (fr
Inventor
Xavier Levecq
Guillaume Dovillaire
Original Assignee
Imagine Optic
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Imagine Optic filed Critical Imagine Optic
Priority to DE112009000132.7T priority Critical patent/DE112009000132B4/de
Priority to JP2010542669A priority patent/JP5390534B2/ja
Priority to US12/863,058 priority patent/US8593623B2/en
Publication of WO2009092975A2 publication Critical patent/WO2009092975A2/fr
Publication of WO2009092975A3 publication Critical patent/WO2009092975A3/fr

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0207—Details of measuring devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0285—Testing optical properties by measuring material or chromatic transmission properties

Definitions

  • the present invention relates to an instrument for characterizing an optical system. It also relates to a characterization method implemented in this instrument.
  • Phase measurement systems include: - several phase measurement technologies: Fizeau interferometer, Hartmann or Hartmann Shack technology, lateral shift interferometer;
  • phase measurement systems allow a characterization of the aberrations of a system. From this measurement, it is generally possible to determine, in addition to the aberrations, the optical pulse response (PSF) and the modulation transfer function (FTM) of the system to be characterized. With certain particular implementations, it is also possible to trace back to the information of the optical print and the numerical aperture of the system to be characterized.
  • PSF optical pulse response
  • FTM modulation transfer function
  • these systems generally do not give the measurement of the focal length of the system to be characterized nor the value of the chromatic aberration and are all limited, because of their implementation, in numerical aperture.
  • these systems only measure one field at a time and do not allow measurement of field curvature or lens distortion.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages and limitations of the above-mentioned characterization instruments, by proposing an optical metrology system based on a wavefront measurement allowing the characterization of optical components of positive power (convergent) without limitation of numerical aperture.
  • wavefront analysis means arranged to receive a beam coming from the optical system
  • this instrument further comprises diffusion means disposed substantially in a focusing plane of the optical system, so as to create a secondary source generating a secondary beam passing through the optical system and then directed to the analysis means of the optical system. wavefront.
  • the beam from this secondary source passes through the system to be characterized and the wavefront is analyzed at the output of the optical system.
  • the diffuser is mounted on a translation that allows to position it approximately at the point of focus of the beam by the optical system to be characterized in the "go" path.
  • the translation axis is perpendicular to the diffuser which is parallel to the pupil of the optical system to be characterized and is in fact at the position that would have the matrix sensor (CCD or CMOS) associated with the optical system to be characterized.
  • CCD or CMOS matrix sensor
  • the position of the diffuser relative to the system to be characterized gives the optical drawing information of the system to be characterized.
  • the displacement of a known value of this diffuser on either side of the focusing point, associated with the measurement of the evolution of the radius of curvature of the wavefront by the wavefront analyzer allows to determine the focal length of the system to be characterized.
  • the measurement plane of the wavefront analyzer is conjugated with the pupil of the system to be characterized. This is necessary for wavefront metrology.
  • the diffuser and the light beam focusing on it so as to eliminate the "speckle effect" especially if the light sources are monochromatic. It can be done, for example, by mounting the diffuser on a rotation whose axis of rotation is perpendicular to the latter. There are other methods to achieve this function: make the diffuser vibrate in its plane or move the light beam on the diffuser with a prism mounted on a rotation, this system being preferably placed on a portion of the optical path common to the illumination and analysis beams.
  • This architecture An important interest of this architecture is its ability to make the aberration measurement in the field of the objective to be characterized. Indeed by mounting the diffuser assembly (on its translation Z) and the system to be characterized on a rotation (ROT Y), one can have a wavefront measurement in the field of the objective to be characterized. Unlike existing systems, this architecture also allows the measurement of the field curvature of the objective to be characterized.
  • the plane of focus which was located in the plane diffuser in the center of the field (figure 1), is found off the plane of the diffuser when the objective works in the field ( Figure 2). Since the diffuser is no longer in the focus plane of the objective for the angle of view chosen for the measurement, the wavefront resulting from the objective to be characterized is no longer collimated and the analyzer measures the value of the defocusing which makes it possible to determine the field curvature of the objective.
  • the evolution of the curvature of the wavefront resulting from the system to be characterized is measured by moving the diffuser longitudinally.
  • the measurement of the focal length in the field and its evolution relative to the focal length at the center of the field gives the value of the distortion of the objective to be characterized.
  • the analyzer since the analyzer is conjugated with the pupil of the objective to be characterized, it measures the shape of the pupil for any point of the measured field, which makes it possible to directly determine the possible vignetting of the objective by comparison. the size and shape of the pupil measured as a function of the angle of view.
  • the analyzer by taking light sources whose luminous power is stable over time (at least during the time of a measurement cycle: a few tens of seconds maximum), the measurement of the incident flux on the The analyzer as a function of the measured field makes it possible to determine a photometric property of the objective to be characterized, namely the variation of the illumination as a function of the angle of view ("relative illumination").
  • the sample can be placed in a mount mounted on a rotation whose axis is perpendicular to the pupil of the objective to characterize and pass through the center of said pupil.
  • a processing of measurement signals originating from the wavefront analysis in order to deliver information of characterization of the optical system, characterized in that the lighting beam passing through the optical system is focused on a diffusion element so as to create a secondary source generating a secondary beam of analysis passing through the optical system and then directed to the wavefront analysis means.
  • a difficulty generated by this measurement architecture is the management of stray light and in particular the parasitic reflections related to the optical elements common to the lighting beam (FE) and the beam analysis (FA).
  • the polarization of the illumination beam is polarized on one axis and the polarization of the analysis beam is polarized on the axis rotated by 90 ° with respect to the polarization of the illumination beam (presence of polarizers on the illumination beams and analysis).
  • the depolarization of the lighting beam is provided by the diffuser. If the presenter does not sufficiently depolarize the beam it is possible to a blade 1 A wave on the common path lighting-analysis for rotating the polarization by 90 °.
  • FIG. 1 is a block diagram of a control instrument; characterization according to the invention, represented with a pivot angle of the zero diffusion structure; - Figure 2 corresponds to the block diagram of Figure 1, with a non-zero determined pivot angle;
  • FIG. 5 represents a first graphical interface generated by implementing the characterization method according to the invention, visualizing quantitative information on the wavefront surfaces of an optical objective to be characterized;
  • FIG. 6 represents a second graphical interface generated by implementing the characterization method according to the invention, displaying quantitative information on the modulation transfer function of an objective to be characterized;
  • FIG. 7 shows a block diagram of a characterization instrument according to the invention, comprising a rotary prism.
  • a characterization instrument 1 comprises, with reference to FIGS.
  • a beam splitter module 5 intended to receive on a mount 21 an optical system to be characterized, a beam splitter module 5, a wavefront analysis module 4 and a processor module 10 designed to be connected to a terminal 11.
  • the lighting source system 3 includes a first source 31 at a first wavelength, a second source 32 at a second wavelength and a dichroic mirror 33. These two sources are made for example in the form of diodes laser.
  • the illumination beam produced FE is focused by a lens 34 deflected by a mirror 6 through a lens 52 and the separator module 5 to arrive at an optical system to be characterized L disposed in the frame 21 within the carrier structure 2.
  • This receiving frame 21 of the optical system L can be held integral with the carrier structure 2 by magnetic coupling.
  • the optical system L to be characterized may be for example an optical objective intended for example to equip a camera, a camera or a mobile phone.
  • the pivoting carrier structure 2 which may have an adjustable angle of view ⁇ controlled by an electromechanical device (not shown) further comprises an optical diffusion plane element 22 whose rotation on itself is controlled by a motor 23 to suppress the effect of speckle.
  • the effect of Speckle is eliminated thanks to the action of a prism 200 mounted in a frame 201 rotating at an angle 202 around itself and around the wall.
  • the prism 200 is preferably a right prism with a triangular base, the base being located in the plane formed by the Z and Y axes.
  • the prism 200 is preferably arranged on a portion of the optical path common to the beams of the beam. FE lighting and FA analysis.
  • the rotation of the prism 200 is such that the illumination beam FE and the analysis beam FA pass through the prism 200 in all their section, regardless of the angle of rotation of said prism 200.
  • the rotation of the prism 200 is preferably , but not necessarily, a regular rotation.
  • the prism 200 when stationary, affects the direction of the beams passing through it without modifying their plane of focus.
  • the rotation of the prism 200 thus makes it possible to move the lighting beam FE on the diffuser element 22, to suppress the effect of Speckle.
  • the angle of the prism is chosen sufficiently large so as to generate a significant displacement of the focusing spot on the diffuser and small enough not to cause significant variations in the aberrations of the objective to be characterized on the amplitude of the tilts generated.
  • the diffuser element 22 can also be accurately positioned along a translation axis Z perpendicular to the plane (X, Y) of the frame 21, from a motorized platform 28, within the pivoting support structure 2.
  • the separator module 5 is arranged the path of the illumination beam FE and the analysis beam FA between the deflector mirror 6 and the optical system L to characterize. It comprises a separating surface 51.
  • a lens 53 focuses the analysis beam FA on a spatial filtering hole 7 downstream of which a lens 70 is placed.
  • the lenses 51 and 70 have a dual role: the conjugation of the pupil of the system to characterize with the measuring pupil of the analyzer and the realization of the optical magnification between the pupil of the system to be characterized and the pupil of the analyzer.
  • the pupil magnification and pupil conjugation system is an afocal system without optical power.
  • the analysis beam FA coming from the optical system 70 is deflected by a mirror 8 onto the input of the wavefront analysis module 4.
  • This analysis module 4 includes, for example, a matrix of CCD sensors. charge coupling) and delivers analysis signals to a processor module 10 programmed to output to a terminal 11 information on the optical quality of the system to be characterized.
  • the characterization instrument 1 may be designed within a compact package 100 that can be placed on a table or a workstation.
  • This housing 100 may be provided on its front face with an opening 101 allowing an operator to easily access, on the pivoting structure 2, to a receiving base of the frame 21 on which is disposed the optical system L to be characterized.
  • the operator can also have by the opening of a support 27 that can receive another mount before its installation on the pivoting structure 2.
  • the characterization instrument 1 is connected to a computer workstation (not shown) on which an application software implementing the corresponding characterization method has been installed.
  • This software provides graphical interfaces II, 12 providing the operator, on the one hand, parameterization features of the characterization instrument and, on the other hand, dashboards gathering quantitative information on the quality of the optical system. to characterize.
  • the operator inserts an optical objective to be characterized in the frame 21, outside the characterization instrument 1. It then has, through the opening 101, the frame 21 on a magnetic support of the It then sends from the graphical interface II a request for a characterization.
  • the processing module 10 controls the various positioning and rotation devices in the characterization instrument, to produce a series of quantitative information as a function of the angle of view and the angle of orientation of the objective. .
  • the characterization method according to the invention allows a complete characterization of a positive power optical system:
  • SF wavefront surface information in the form of IS surface graphs for a series of measurement angles, including distortion and vignetting values, as well as a CZ suite of Zernike coefficients ( Figure 5);
  • MTF Modulation transfer function
  • the number of distinct wavelength light sources used to produce the illumination beam is not limited to two and can be determined according to the characterization needs.

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Abstract

Instrument (1) pour caractériser un système optique, comprenant : - au moins une source primaire (3) pour émettre un faisceau lumineux d'éclairage (FE), - un dispositif optique pour diriger ce faisceau d'éclairage (FE) sur le système optique (L) à caractériser, - un analyseur de front d'onde (4), agencé pour recevoir un faisceau issu du système optique (L), et - une unité de traitement des signaux de mesure issu de l'analyseur de font d'onde (4), prévue pour délivrer des informations de caractérisation du système optique (L). Cet instrument comprend en outre un élément de diffusion (22) disposé sensiblement en un plan de focalisation du système optique (L), de façon à créer une source secondaire générant un faisceau secondaire traversant ce système optique (L) et dirigé ensuite vers l'analyseur de front d'onde.

Description

«Instrument et procédé de caractérisation d'un système optique »
La présente invention vise un instrument de caractérisation d'un système optique. Elle concerne également un procédé de caractérisation mis en œuvre dans cet instrument.
ART ANTERIEUR
II existe déjà plusieurs instruments de caractérisation d'un système optique. On peut, en fait, identifier deux familles d'instruments : les systèmes basés sur de la mesure de front d'onde (mesure des aberrations) et les autres instruments qui ne sont pas basés sur la mesure de front d'onde et ne permettent pas la mesure des aberrations optiques du système à caractériser.
Les systèmes de mesure de la phase incluent : - plusieurs technologies de mesure de phase : interféromètre de Fizeau, technologie Hartmann ou Shack Hartmann, interféromètre à décalage latéral ;
- les systèmes de mesure de la phase permettent une caractérisation des aberrations d'un système. A partir de cette mesure il est en général possible de déterminer, en plus des aberrations, la réponse impulsionnelle optique (PSF : « Point Spread Function ») et la fonction de transfert de modulation (FTM) du système à caractériser. Avec certaine mises en œuvre particulières, on peut aussi remonter à l'information du tirage optique et l'ouverture numérique du système à caractériser.
En revanche ces systèmes ne donnent en général pas la mesure de la focale du système à caractériser ni la valeur de l'aberration chromatique et sont tous limités, du fait de leur mise en œuvre, en ouverture numérique. De plus, ces systèmes ne mesurent qu'un champ à la fois et ne permettent pas la mesure de la courbure de champ ni de la distorsion de l'objectif.
Les systèmes non basés sur la mesure de la phase incluent :
- certains instruments qui sont dédiés à la mesure de la focale de l'objectif. Mais ils ne sont pas basés sur de la mesure de front d'onde ; - d'autres instruments qui sont dédiés à la mesure de la FTM des objectifs. Dans cette famille, certains instruments permettent la mesure à plusieurs angles de champ de l'objectif avec la particularité de prendre en compte dans la mesure l'influence de la courbure de champ de l'objectif. Cependant la capacité de ces instruments est limitée par leur impossibilité de mesures des aberrations optiques du système à caractériser (ces instruments ne sont pas basés sur de la mesure de front d'onde) ;
- d'autres systèmes permettant la mesure du vignettage et de l'intensité relative en fonction de l'angle de champ d'un objectif à caractériser mais qui ne donnent pas les autres informations sur la qualité optique ; et
- des instruments permettant la mesure de la distorsion d'un objectif à caractériser mais qui ne donnent pas les autres informations sur la qualité optique.
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients et limitations des instruments de caractérisation précités, en proposant un système de métrologie optique basé sur une mesure de front d'onde permettant la caractérisation de composants optiques de puissance positive (convergent) sans limitation d'ouverture numérique.
Il s'agit ainsi d'un nouveau concept d'instrument de caractérisation et de métrologie, qui ne soit pas limité en ouverture numérique et procure un ensemble suffisant d'informations sur la qualité optique du système caractérisé.
RESUME DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un instrument pour caractériser un système optique, comprenant :
- des moyens de source primaire pour émettre un faisceau lumineux d'éclairage,
- des moyens pour recevoir de manière amovible le système optique,
- des moyens pour diriger ce faisceau d'éclairage sur le système optique à caractériser, - des moyens d'analyse de front d'onde, agencés pour recevoir un faisceau issu du système optique, et
- des moyens pour traiter les signaux de mesure issus des moyens de mesure de font d'onde, et délivrer des informations de caractérisation du système optique.
Selon l'invention, cet instrument comprend en outre des moyens de diffusion disposés sensiblement en un plan de focalisation du système optique, de façon à créer une source secondaire générant un faisceau secondaire traversant le système optique et dirigé ensuite sur les moyens d'analyse de front d'onde.
Le faisceau issu de cette source secondaire traverse le système à caractériser et le front d'onde est analysé à la sortie du système optique. Le diffuseur est monté sur une translation qui permet de le positionner approximativement au niveau du point de focalisation du faisceau par le système optique à caractériser sur le trajet « aller ».
L'axe de translation est perpendiculaire au diffuseur qui est parallèle à la pupille du système optique à caractériser et est en fait à la position qu'aurait le capteur matriciel (CCD ou CMOS) associé au système optique à caractériser. La position du diffuseur par rapport au système à caractériser donne l'information de tirage optique du système à caractériser. De plus, le déplacement d'une valeur connue de ce diffuseur de part et d'autre du point de focalisation, associé à la mesure de l'évolution du rayon de courbure du front d'onde par l'analyseur de front d'onde permet de déterminer la distance focale du système à caractériser.
Le plan de mesure de l'analyseur de front d'onde est conjugué avec la pupille du système à caractériser. Cela est nécessaire pour la métrologie du front d'onde.
L'utilisation de plusieurs sources de longueurs d'onde différentes permet de faire une mesure de l'aberration chromatique du système à caractériser.
Il est préférable de faire bouger de façon relative le diffuseur et le faisceau d'éclairage se focalisant sur ce dernier de façon à supprimer « l'effet de speckle » surtout si les sources d'éclairage sont monochromatiques. Cela peut être fait, par exemple, en montant le diffuseur sur une rotation dont l'axe de rotation est perpendiculaire à ce dernier. Il existe d'autres méthodes pour réaliser cette fonction : faire vibrer le diffuseur dans son plan ou faire bouger le faisceau d'éclairage sur le diffuseur à l'aide d'un prisme monté sur une rotation, ce système étant placé de façon préférentielle sur une portion du trajet optique commun aux faisceaux d'éclairage et d'analyse.
Un intérêt important de cette architecture est sa capacité à faire de la mesure d'aberration dans le champ de l'objectif à caractériser. En effet en montant l'ensemble diffuseur (sur sa translation Z) et le système à caractériser sur une rotation (ROT Y), on peut avoir une mesure du front d'onde dans le champ de l'objectif à caractériser. Contrairement aux systèmes existants, cette architecture permet aussi la mesure de la courbure de champ de l'objectif à caractériser.
En effet, si l'objectif présente de la courbure de champ, le plan de focalisation qui se situait dans le plan diffuseur au centre du champ (figure 1), se retrouve décalé du plan du diffuseur lorsque l'objectif travaille dans le champ (figure 2). Comme le diffuseur n'est plus dans le plan de focalisation de l'objectif pour l'angle de champ choisi pour réaliser la mesure, le front d'onde issu de l'objectif à caractériser n'est plus collimaté et l'analyseur mesure la valeur de la défocalisation ce qui permet de déterminer la courbure de champ de l'objectif.
Il est possible de réaliser une mesure de focale dans le champ selon la même procédure qu'au centre du champ : on mesure l'évolution de la courbure du front d'onde issu du système à caractériser en déplaçant le diffuseur longitudinalement. La mesure de la focale dans le champ et son évolution par rapport à la focale au centre du champ donnent la valeur de la distorsion de l'objectif à caractériser.
De plus, l'analyseur étant conjugué avec la pupille de l'objectif à caractériser, celui-ci mesure la forme de la pupille pour tout point du champ mesuré, ce qui permet donc de déterminer directement le vignettage éventuel de l'objectif par comparaison de la taille et de la forme de la pupille mesurée en fonction de l'angle de champ. D'autre part, en prenant des sources d'éclairage dont la puissance lumineuse est stable dans le temps (au moins pendant le temps d'un cycle de mesure : quelques dizaines de secondes au maximum), la mesure du flux incident sur l'analyseur en fonction du champ mesuré permet de déterminer une propriété photométrique de l'objectif à caractériser, à savoir la variation de l'éclairement en de fonction de l'angle de champ (« relative illumination » en anglais).
En outre, pour pouvoir analyser n'importe quel point du champ de l'objectif (angle et azimut), l'échantillon peut être placé dans une monture montée sur une rotation dont l'axe est perpendiculaire à la pupille de l'objectif à caractériser et passe par le centre de ladite pupille.
Bien évidemment, il est aisé de calculer, à partir de la mesure des aberrations, la réponse impulsionnelle (PSF, Point Spread Function) mais aussi et surtout la fonction de transfert de modulation (FTM), et ceci pour tous les points du champ mesurés.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour caractériser un système optique, mis en œuvre dans un instrument selon l'invention, comprenant :
- une émission d'un faisceau lumineux d'éclairage qui est dirigé sur le système optique à caractériser qui a été préalablement placé sur une monture,
- une analyse de front d'onde effectuée sur un faisceau d'analyse issu du système optique, et
- un traitement de signaux de mesure issus de l'analyse de front d'onde, en vue de délivrer des informations de caractérisation du système optique, caractérisé en ce que le faisceau d'éclairage traversant le système optique est focalisé sur un élément de diffusion de façon à créer une source secondaire générant un faisceau secondaire d'analyse traversant le système optique et dirigé ensuite sur les moyens d'analyse de front d'onde. Une difficulté engendrée par cette d'architecture de mesure est la gestion de la lumière parasite et en particulier les réflexions parasites liées aux éléments optiques communs au faisceau d'éclairage (FE) et au faisceau d'analyse (FA). Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour remédier à cette difficulté:
- séparer le plus possible les voies éclairage et analyse. Mais il restera toujours au moins la lentille à caractériser et un beamsplitter sur le faisceau commun,
- faire rentrer le faisceau d'éclairage sur une plus petite pupille que la pupille du système à caractériser et hors axe. Le fait d'avoir une pupille plus petite permet en outre d'avoir une plus grande profondeur de champ à l'éclairage (le point source formé sur le diffuseur reste petit même lorsque le diffuseur n'est pas parfaitement au plan de focalisation de l'objectif),
- placer un trou de filtrage sur le trajet optique d'analyse de façon à bloquer les réflexions parasites,
- jouer sur la polarisation des faisceaux. La polarisation du faisceau d'éclairage est polarisée sur un axe et la polarisation du faisceau d'analyse est polarisée sur l'axe tourné de 90° par rapport à la polarisation du faisceau d'éclairage (présence de polariseurs sur les faisceaux d'éclairage et d'analyse). La dépolarisation du faisceau d'éclairage est assurée par le diffuseur. Si le diffuseur ne dépolarise pas suffisamment le faisceau on peut mettre une lame 1A d'onde sur le trajet commun éclairage-analyse pour faire tourner la polarisation de 90°.
Ces solutions peuvent bien sûr être combinées pour limiter les réflexions parasites.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un instrument de caractérisation selon l'invention, représenté avec un angle de pivotement de la structure de diffusion nul ; - la figure 2 correspond au schéma fonctionnel de la figure 1, avec un angle de pivotement déterminé non nul;
- les figures 3 et 4 sont des vues en perspective schématiques de l'instrument de caractérisé illustré par les figures 1 et 2 ; - la figure 5 représente une première interface graphique générée par mise en œuvre du procédé de caractérisation selon l'invention, visualisant des informations quantitatives sur les surfaces de front d'onde d'un objectif optique à caractériser ;
- la figure 6 représente une seconde interface graphique générée par mise en œuvre du procédé de caractérisation selon l'invention, visualisant des informations quantitatives sur la fonction de transfert de modulation d'un objectif à caractériser ; et
- la figure 7 représente un schéma fonctionnel d'un instrument de caractérisation selon l'invention, comprenant un prisme rotatif.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION Un instrument de caractérisation 1 comprend, en référence aux figures
1 et 2, un système de sources d'éclairage 3, une structure porteuse pivotante
2 destinée à recevoir sur une monture 21 un système optique à caractériser, un module séparateur de faisceau 5, un module d'analyse de front d'onde 4 et un module processeur 10 prévu pour être connecté à un terminal 11.
Le système de source d'éclairage 3 inclut une première source 31 à une première longueur d'onde, une seconde source 32 à une seconde longueur d'onde et un miroir dichroïque 33. Ces deux sources sont réalisées par exemple sous la forme de diodes laser. Le faisceau d'éclairage produit FE est focalisé par une lentille 34 dévié par un miroir 6 à travers une lentille 52 et le module séparateur 5 pour arriver sur un système optique à caractériser L disposé dans la monture 21 au sein de la structure porteuse 2.
Cette monture 21 réceptrice du système optique L peut être maintenue solidaire à la structure porteuse 2 par couplage magnétique. Un mécanisme dédié 29, par exemple un actionneur électrique à vis sans fin, permet de faire tourner cette monture 21 d'un angle réglable 26 autour de son axe de symétrie. Le système optique L à caractériser peut être par exemple un objectif optique destiné par exemple à équiper un appareil photographique, une caméra ou un téléphone portable.
La structure porteuse pivotante 2, qui peut présenter un angle de champ θ réglable contrôlé par un dispositif électromécanique (non représenté) comprend en outre un élément plan de diffusion optique 22 dont la rotation sur lui-même est contrôlée par un moteur 23 pour supprimer l'effet de speckle.
Selon un mode de réalisation voisin représenté à la figure 7, l'effet de Speckle est supprimé grâce à l'action d'un prisme 200 monté dans une monture 201 en rotation d'un angle 202 autour de lui-même et autour de l'axe Z. Le prisme 200 est de préférence un prisme droit à base triangulaire, la base étant située dans le plan formé par les axes Z et Y. Le prisme 200 est disposé de préférence sur une portion du trajet optique commun aux faisceau d'éclairage FE et d'analyse FA. La rotation du prisme 200 est telle que le faisceau d'éclairage FE et le faisceau d'analyse FA traversent le prisme 200 dans toute leur section, quel que soit l'angle de rotation dudit prisme 200. La rotation du prisme 200 est de préférence, mais non nécessairement, une rotation régulière. Le prisme 200, lorsqu'il est immobile, affecte la direction des faisceaux qui le traversent sans pour autant modifier leur plan de focalisation. La rotation du prisme 200 permet ainsi de faire bouger le faisceau d'éclairage FE sur l'élément diffuseur 22, pour supprimer l'effet de Speckle. L'angle du prisme est choisi suffisamment grand de façon à générer un déplacement significatif de la tache de focalisation sur le diffuseur et suffisamment petit pour ne pas engendrer des variations importantes des aberrations de l'objectif à caractériser sur l'amplitude des basculement générés.
L'élément diffuseur 22 peut aussi être positionné r avec précision selon un axe de translation Z perpendiculaire au plan (X, Y) de la monture 21, à partir d'une plateforme motorisée 28, au sein de la structure porteuse pivotante 2.
Le module séparateur 5 est disposé le trajet du faisceau d'éclairage FE et du faisceau d'analyse FA entre le miroir déflecteur 6 et le système optique L à caractériser. Il comporte une surface séparatrice 51. Une lentille 53 focalise le faisceau d'analyse FA sur un trou de filtrage spatial 7 en aval duquel est placée une lentille 70. Les lentilles 51 et 70 possèdent un double rôle : la conjugaison de la pupille du système à caractériser avec la pupille de mesure de l'analyseur et la réalisation du grandissement optique entre la pupille du système à caractériser et la pupille de l'analyseur.
Pour réaliser cette double fonction, une troisième lentille (non représentée) peut s'avérer nécessaire. De plus, dans un mode préféré de réalisation, le système optique de grandissement et de conjugaison de pupille est un système afocal sans puissance optique. Le faisceau d'analyse FA issu du système optique 70 est dévié par un miroir 8 sur l'entrée du module d'analyse de front d'onde 4. Ce module d'analyse 4 inclut par exemple une matrice de capteurs CCD (détecteurs à couplage de charge) et délivre des signaux d'analyse à un module processeur 10 programmé pour délivrer sur un terminal 11 des informations sur la qualité optique du système à caractériser.
En référence aux figures 3 et 4, l'instrument de caractérisation 1 selon l'invention peut être conçu au sein d'un boîtier compact 100 pouvant être placé sur une table ou un poste de travail. Ce boîtier 100 peut être pourvu sur sa face avant d'une ouverture 101 permettant à un opérateur d'accéder aisément, sur la structure pivotante 2, à une base réceptrice de la monture 21 sur laquelle est disposée le système optique L à caractériser. L'opérateur peut aussi disposer par l'ouverture d'un support 27 pouvant recevoir une autre monture avant son installation sur la structure pivotante 2.
On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées et aux figures 5 et 6, un exemple pratique 1 de mise en œuvre de l'instrument de caractérisation 1 selon l'invention.
L'instrument de caractérisation 1 est connecté à un poste de travail informatique (non représenté) sur lequel a été installé un logiciel d'application mettant en œuvre le procédé de caractérisation correspondant. Ce logiciel fournit des interfaces graphiques II, 12 procurant à l'opérateur, d'une part, des fonctionnalités de paramétrage de l'instrument de caractérisation et d'autre part, de tableaux de bord rassemblant des informations quantitatives sur la qualité du système optique à caractériser. Dans un premier temps, l'opérateur insère un objectif optique à caractériser dans la monture 21, à l'extérieur de l'instrument de caractérisation 1. Il dispose ensuite, par l'ouverture 101, la monture 21 sur un support magnétique de la structure réceptrice pivotante 2. II émet ensuite à partir de l'interface graphique II une requête pour une caractérisation. Le module de traitement 10 commande alors les différents dispositifs de positionnement et de rotation dans l'instrument de caractérisation, pour produire une série d'informations quantitatives en fonction de l'angle de champ et de l'angle d'orientation de l'objectif. Le procédé de caractérisation selon l'invention permet une caractérisation complète d'un système optique de puissance positive:
- mesure de tirage,
- mesure de focale,
- mesure de chromatisme (si plusieurs sources d'éclairage), - mesure d'aberrations,
- mesure de la courbure de champ,
- mesure de la distorsion,
- mesure du vignettage et de la variation d'éclairement en fonction du champ, - calcul de la réponse impulsionnelle PSF pour tous les points du champ mesurés,
- calcul de la fonction de transfert de modulation FTM pour tous les points du champ mesurés (et pour les différentes longueurs d'ondes, et prise en compte de l'aberration chromatique dans le calcul de la FTM si nécessaire).
Il est à noter que si l'on souhaite caractériser un système optique de puissance négative, il suffit alors de lui adjoindre un dispositif optique connu de puissance suffisamment positive pour que l'ensemble constitué par le système à caractériser et par ce dispositif connu possède une puissance optique positive. Ce dispositif optique de puissance positive doit être placé à proximité du système optique à caractériser, dans le trajet optique des faisceaux d'éclairage et d'analyse. En référence aux figures 5 et 6, à l'issue de la séquence de mesure effectuée automatiquement par l'instrument de caractérisation 1, l'opérateur peut notamment disposer de trois groupes d'informations caractéristiques :
- des informations de surface de front d'onde SF, sous la forme de représentations graphiques de surfaces IS pour une suite d'angles de mesure, comprenant des valeurs de distorsion et de vignettage, ainsi qu'une suite CZ de coefficients de Zernike (figure 5) ;
- des informations de fonction de transfert de modulation (MTF) comprenant des profils (PR) pour différents angles de mesure, des courbes CF d'évolution du contraste en fonction de la fréquence, des courbes CP d'évolution du contraste en fonction de la position de mise au point, et un tableau récapitulatif CA des mesures de contraste et de courbure de champs en fonction des angles de mesure. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
En particulier, le nombre de sources lumineuses de longueurs d'onde distinctes utilisées pour produire le faisceau d'éclairage n'est pas limité à deux et peut être déterminé en fonction des besoins de caractérisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Instrument (1) pour caractériser un système optique (L), comprenant :
- des moyens de source primaire (3) pour émettre un faisceau lumineux d'éclairage (FE),
- des moyens (21) pour recevoir de manière amovible ledit système optique (L),
- des moyens (6, 5) pour diriger ce faisceau d'éclairage (FE) sur ledit système optique (L) à caractériser, - des moyens d'analyse de front d'onde (4), agencés pour recevoir un faisceau issu dudit système optique (L),
- des moyens (10) pour traiter les signaux de mesure issus des moyens de mesure de font d'onde (4), et délivrer des informations de caractérisation du système optique (L), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de diffusion (22) disposés sensiblement en un plan de focalisation dudit système optique (L), de façon à créer une source secondaire générant un faisceau secondaire dit d'analyse (FA) traversant ledit système optique (L) et dirigé ensuite sur lesdits moyens d'analyse de front d'onde (4).
2. Instrument (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (28) pour positionner les moyens de diffusion (22) sensiblement au niveau du point de focalisation du faisceau par le système optique (L) à caractériser sur le trajet aller.
3. Instrument (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de positionnement (28) sont agencés pour déplacer les moyens de diffusion selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan du système optique (L) à caractériser.
4. Instrument (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler le déplacement desdits moyens de diffusion (22) par rapport au système optique à caractériser; et en ce que les moyens de traitement sont agencés pour traiter cette mesure de déplacement et les signaux issus des moyens d'analyse de front d'onde (4), de façon à fournir une information de distance focale du système optique (L) à mesurer.
5. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour conjuguer optiquement le plan de mesure des moyens d'analyse de front d'onde (4) avec la pupille du système optique (L) à caractériser.
6. Instrument (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de conjugaison optique ne possèdent pas de puissance optique.
7. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques (5) pour séparer le faisceau d'éclairage (FE) du faisceau d'analyse (FA) s provenant du système optique (L) à caractériser et pour diriger ledit faisceau d'analyse (FA) vers les moyens d'analyse de front d'onde (4).
8. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de source primaire (3) comprennent une première source lumineuse (31) à une première longueur d'onde et une seconde source lumineuse (32) à une seconde longueur d'onde, et en ce que les moyens de traitement (10) sont agencés pour fournir une mesure de l'aberration chromatique du système optique (L) à caractériser.
9. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de monture (21) agencés pour recevoir de manière amovible le système optique (L) à caractériser, ces moyens de monture (21) définissant un plan de monture (X, Y) sensiblement parallèle au plan des moyens de moyens de diffusion (22).
10. Instrument (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (29) pour faire tourner les moyens de monture (21) d'un angle prédéterminé par rapport à leur axe de révolution (Z).
11. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens de monture (21) et les moyens de diffusion (22) sont inclus dans une structure (2) pouvant pivoter d'un angle prédéterminé (θ) autour d'un axe de pivotement (X) sensiblement perpendiculaire à la direction du faisceau d'éclairage (FE) sur le système optique (L) à caractériser.
12. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour faire vibrer les moyens de diffusion (22) dans leur plan sensiblement parallèle au plan des moyens de monture (21).
13. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (23) pour faire tourner les moyens de diffusion (22) autour d'un axe de rotation passant sensiblement par le point de focalisation du faisceau d'éclairage (FE) sur lesdits moyens de diffusion (22).
14. Instrument (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déplacer sur les moyens de diffusion le point de focalisation du faisceau d'éclairage ayant traversé le système optique.
15. Instrument selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de faisceau comprennent un prisme (200) monté dans une monture (201) en rotation d'un angle (202) autour de lui-même et autour de l'axe Z et disposé sur une portion du trajet optique commun aux faisceaux d'éclairage et d'analyse.
16. Instrument selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (7) pour limiter les réflexions parasites induites par le trajet commun éclairage-analyse entre le faisceau d'éclairage (FE) et le faisceau d'analyse (FA).
17. Instrument (1) selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au titre des moyens de limitation des réflexions parasites, des moyens de filtrage spatial (7) disposés entre les moyens séparateurs (5) et les moyens d'analyse de front d'onde (4).
18. instrument selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au titre des moyens de limitation des réflexions parasites, des premiers moyens pour polariser le faisceau d'éclairage, des seconds moyens pour polariser le faisceau d'analyse selon un axe décalé de 90° par rapport à la polarisation du faisceau d'éclairage, les moyens de diffusion assurant la dépolarisation dudit faisceau d'éclairage.
19. Instrument selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au titre des moyens de limitation de réflexion parasite, une lame quart d'onde disposée sur le trajet commun éclairage-analyse.
20. Procédé pour caractériser un système optique (L), mis en œuvre dans un instrument selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - une émission d'un faisceau lumineux d'éclairage (FE) qui est dirigé sur ledit système optique (L) à caractériser préalablement disposé sur une monture (21), - une analyse de front d'onde effectuée sur un faisceau d'analyse issu dudit système optique (L), - un traitement de signaux de mesure issus de l'analyse de front d'onde, en vue de délivrer des informations de caractérisation du système optique
(L), caractérisé en ce que le faisceau d'éclairage (FE) traversant le système optique (L) est focalisé sur un élément de diffusion de façon à créer une source secondaire générant un faisceau secondaire d'analyse traversant ledit système optique (L) et soumis ensuite à une analyse de front d'onde.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un positionnement de l'élément de diffusion (22) sensiblement au niveau du point de focalisation du faisceau par le système optique (L) à caractériser sur le trajet aller.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un contrôle du déplacement de l'élément de diffusion (22) par rapport au système optique (L) à caractériser, et en ce qu'il comprend en outre un traitement de cette mesure de déplacement et de signaux d'analyse de front d'onde de façon à fournir une information de distance focale dudit système optique.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que l'émission d'un faisceau d'éclairage (FE) comprend une émission à une première longueur d'onde et une émission à une seconde longueur d'onde, et en ce que le processus de traitement est agencé pour une mesure de l'aberration chromatique du système optique (L) à caractériser à partir d'analyses de front d'onde effectuées auxdites première et seconde longueurs d'onde.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une séquence de rotation sur lui-même du système optique (L) à caractériser.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une séquence de pivotement du système optique (L) à caractériser et de l'élément diffuseur (22) d'un angle prédéterminé autour d'un axe de pivotement (X) sensiblement perpendiculaire à la direction du faisceau d'éclairage (FE) sur ledit système optique (L).
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 25, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une séquence de déplacement relatif entre le point de focalisation du faisceau d'éclairage (FE) ayant traversé le système optique (L) et l'élément diffuseur (22).
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre:
- une première séquence de mesures dans laquelle les mesures sont réalisées au centre du champ du système optique (L) à caractériser,
- une seconde séquence de mesures dans laquelle les mesures sont réalisées dans le champ dudit système optique (L) à caractériser.
28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce que le décalage angulaire pour passer des mesures au centre du champ aux mesures dans le champ du système optique (L) à caractériser est obtenu par un pivotement dudit système optique (L) à caractériser et de l'élément diffuseur (22) d'un angle de champ prédéterminé selon un axe sensiblement perpendiculaire à la direction d'incidence du faisceau d'éclairage (FE).
29. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une détermination de la courbure de champ du système optique (L) à caractériser à partir des première et seconde séquences de mesures effectuées à angles de champ variables.
30. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 29, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mesure de focale dans le champ à partir des première et seconde séquences de mesures effectuées à angles de champ variables.
31. Procédé selon la revendication 30, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mesure de l'évolution de la focale dans le champ par rapport à la focale au centre du champ, en vue de fournir une mesure de la distorsion du système optique (L) à caractériser.
32. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 31, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mesure de la forme de la pupille du système optique (L) à caractériser, pour tout point du champ mesuré pour des angles de champ variables, conduisant à une détermination directe d'un vignettage éventuel dudit système optique (L).
33. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 32, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une mesure du flux incident sur un analyseur de front d'onde (4) en fonction du champ mesuré, conduisant à une détermination de la variation d'éclairement en fonction de l'angle de champ.
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