Élaboration d’un banc optique pour l’analyse des distorsions
3.1.4 Projecteur de franges
Nous avons deux moyens de produire des franges. La solution retenue, pour des raisons techniques, est la focalisation à l’aide d’un objectif commercial de marque CANON d’un motif sinusoïdal imprimé sur une petite plaque de verre (mire, voir un exemple en figure3.6b).
L’autre solution est l’utilisation d’un interféromètre de Michelson. L’interféromètre de Mi-chelson possède certains avantages comme notamment un choix continu d’orientation et d’espa-cement des franges par la simple orientation des miroirs ainsi que de ne pas utiliser d’éléments optiques supplémentaires, susceptibles d’introduire des distorsions, pour focaliser le motif de franges (les franges ne sont pas localisées). Il semble cependant qu’il y ait trop de vibrations sur le banc. En effet, la production d’un motif d’interférences nécessite un positionnement très
3.1 Le banc optique
précis de tous les éléments de l’interféromètre. Les vibrations ont pour effet de bouger certains éléments de l’interféromètre : les franges ne sont plus visibles sur le détecteur. Les vibrations sont en partie causées par la pompe du cryostat : le cryostat se trouve sur la table optique et la pompe lui communique ses vibrations. Mais l’environnement du laboratoire est aussi responsable de certaines des vibrations, comme par exemple avec la proximité du métro parisien.
3.1.4.1 Projecteur de franges à mires
Le premier objectif de mon travail de thèse était d’élaborer un système d’illumination stable, capable de projeter différents type d’illumination sur des CDD afin de caractériser leurs dis-torsions électrostatiques. La majeur partie de la construction s’est déroulée lors des débuts de mon travail de thèse. Puis, avec le temps, le recul et les diverses prises de données, j’ai continué d’optimiser le système.
(a)
(b)
Figure 3.6: (a) : projecteur de franges. 1 : CCD dans le crysostat. 2 : support pour montage optique imprimé en 3D. 3 : Objectif CANON. 4 : moteur rotatif. 5 : les trois moteurs linéaires pour le déplacement en 3D. (b): exemple d’une mire. C’est la plaque en verre coincée au milieu du support noir. Ce dernier est imprimé en 3D et permet de venir fixer la mire sur le moteur rotatif qui ne possède par défaut pas de fixation adéquate.
Le projecteur de franges utilisé est non-interférentiel (voir figure3.6a). Sa partie optique est composé d’un objectif CANON 50mm f/1.83 ainsi que d’une mire à imager. La description des
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Une étude de maximisation de la variance en fonction de l’ouverture a donné que pour imager des profils à période très courte dans la configuration de notre montage, l’ouverture optimale doit être proche de 4.64.
Élaboration d’un banc optique pour l’analyse des distorsions électrostatiques
différentes mires utilisées est faite dans un paragraphe suivant. En fonction de la distance entre l’objectif et la mire, une surface différente est éclairée par un motif de frange net. Afin de fixer la distance entre l’objectif et la mire, deux pièces ont été imprimées à l’imprimante 3D. L’une permet la projection de franges nettes sur plus de la moitié de la surface du CCD (montage 1), alors que l’autre permet une projection sur une zone plus localisée d’un peu moins d’un canal vidéo (montage 2), soit un peu moins de 1/16 de la surface du CCD.
Les mires sont fixées sur un moteur rotatif4 qui permet leur rotation sur 2π à une résolution inférieure à 0.01°. Il est en effet nécessaire de pouvoir changer l’orientation des franges pour la méthode de reconstruction des effets statiques décrite en chapitre4, et de manière automatique afin d’optimiser la qualification des CCD. La haute précision du moteur nous assure une très bonne reproductibilité.
L’ensemble d’un montage est fixé sur une potence de trois moteurs linéaires5 permettant le mouvement en 3 dimensions. La précision de mouvement est de l’ordre du µm. La potence a été positionnée de manière à imposer une limite physique pour le projecteur de franges afin qu’il ne puisse pas détériorer la fragile fenêtre du cryostat.
À l’aide d’un ARDUINO, de C++ puis d’un interfaçage Python, il est possible de contrôler le foyer de l’objectif. Mais pour nos objectifs de précision, les pas de déplacement de l’objectif CANON ne sont pas assez précis, et souvent aléatoires. Il est donc en pratique beaucoup plus facile et précis de faire le focus avec l’axe z de la potence. Le contrôle de focus de l’objectif nous permet par contre d’avoir un contrôle grossier sur le grandissement des franges.
Bien évidemment, le montage, et donc aussi la focalisation des franges sur le CCD, sont dépendant de l’objectif. L’objectif est utilisé dans une configuration pour laquelle il n’a pas été conçu. En effet, la distance typique entre l’objectif et le capteur est beaucoup plus grande sur notre banc optique que dans un appareil photo numérique. De plus, la surface de capteur à éclairer est beaucoup plus grande : 4 x 4 (16 cm2) pour les CCD E2V contre 2.2 x 1.5 (3.3 cm2) pour un appareil photo numérique courant. Par exemple les distorsions optiques des franges ne sont pas négligeables et il faudra les modéliser dans mon analyse.
J’ai écrit une procédure de calcul de la position de focus par mesure de contraste. Il faut en effet calculer souvent la position du focus car il change en fonction de la longueur d’onde, de la mire utilisée et peut aussi légèrement changer dans le temps à cause de certaines dérives de positions sur le banc.
Un aspect contraignant est la nécessité de pouvoir projeter des illuminations uniformes, sans enlever toute la potence. En effet, d’une part la procédure de calibration, automatisée, doit impliquer le moins souvent l’intervention humaine, d’autre part la position et l’alignement de la potence ont été définis avec précision. Il faut en effet que les mires soient le plus parallèles possible au plan du CCD afin d’éviter des déformations dues à la géométrie du système. La longueur des moteurs linéaires et les dimensions de la boite noire posent des contraintes spatiales qu’il a fallu contourner, notamment en imprimant des pièces spécifiques en 3D, afin de pouvoir définir une position de référence telle que le système ne soit plus entre la sphère intégrante et le CCD.
Enfin, la distance entre la sphère intégrante et le projecteur de franges a été fixée afin d’optimiser le contraste des illuminations non-uniformes.
Les différentes mires
Les deux mires sinusoïdales proviennent du même fournisseur, Applied Image Inc, et la mire de Ronchi provient de Edmund Optics :
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DT-80 Pollux de PI|micos. 5
3.1 Le banc optique
• Motif : sinus. 12 cycles par mm, 80% de transmission au maximum. Serial : 120-76.
• Motif : sinus. 20 cycles par mm, 80% de transmission au maximum. Serial : 200-14.
• Motif : Ronchi6. 500 LPI (Line Pair Inch) ' 20 cycles par mm. Serial : 56611.
Les deux mires sinus peuvent être utilisées pour la reconstruction des distorsions statiques, et comme on le verra au chapitre 6, la mire de Ronchi est utilisée dans le cadre d’une nouvelle méthode d’analyse de l’effet brighter-fatter.
Montage 1
Ce montage permet l’illumination de plus de la moitié de la surface d’un CCD. Le contraste7 moyen atteint dans cette configuration est de 0.5 pour les mires de sinus. Les espacements entre les franges accessibles sont compris entre 15 et 27 pixels, disponible en changeant de mire et/ou en modifiant le focus de l’objectif.
Montage 2
Ce montage permet l’illumination d’un peu moins d’un canal du CCD, soit 1/16 de sa surface. Le contraste moyen atteint dans cette configuration est de 0.6 pour des illuminations de sinus. Les espacements entre les franges accessibles sont compris entre 6 et 10 pixels. Le contraste pour les motifs de Ronchi est supérieur à 0.9.