[STAGE] Co-conception optique/traitement de systèmes optiques complexes

La plupart des systèmes d’imagerie comprennent un système optique couplé à un détecteur et un traitement numérique de l’image. L’optique est généralement conçue en amont du traitement qui est développé a posteriori. La co-conception optique/traitement est une approche qui consiste à optimiser l’optique et le traitement dans un même temps, afin d’optimiser les performances globales du système pour une application donnée. Cette approche permet de simplifier le système optique à performances fixées, ou d’améliorer les performances d’imagerie (par exemple, augmenter la profondeur de champ, ou améliorer la qualité d’image dans le champ) grâce à la prise en compte du traitement. Jusqu’à récemment, la plupart des systèmes étudiés se sont limités à des combinaisons optiques simples, à ouverture et champ modérés. Or, dans de nombreuses applications (microscopie, surveillance…), une forte ouverture et/ou un grand champ sont nécessaires, donnant lieu à des combinaisons optiques complexes qui doivent toutefois respecter des contraintes d’encombrement, de poids ou de coût.

Notre équipe travaille depuis quelques années sur la co-conception d’optiques complexes couplées avec des traitements de déconvolution [Fon22a, Fon22b, Bur18]. Nous avons développé une approche qui consiste à tirer parti des logiciels de conception optique classiques (Code V ou Zemax), dont les algorithmes de tracé de rayon et d’optimisation sont très performants, et qui constituent un environnement familier pour le concepteur ou la conceptrice opticien.ne. Ces logiciels disposent d’un algorithme d’optimisation sous contraintes dont la qualité est éprouvée et qui permet d’optimiser un système optique ex nihilo. Ils possèdent en outre des outils de tolérancement performants, encore peu exploités en co-conception. L’enjeu est alors de prendre en compte l’effet du traitement d’image durant le processus d’optimisation, et donc de mettre en œuvre le principe de co-conception dans cet environnement préférentiel pour le concepteur ou la conceptrice.

L’objectif du stage est d’étudier l’apport de la co-conception à des systèmes d’imagerie à forte ouverture et/ou grand champ, comprenant un traitement de déconvolution, en utilisant le logiciel de conception optique Code V. Le critère d’optimisation du système d’imagerie sera la qualité de l’image déconvoluée. Les systèmes optiques étudiés seront réflectifs (à trois miroirs hors axe, par exemple) ou réfractifs, d’ouverture et/ou champ croissants. L’apport des surfaces freeforms pourra être étudié.

Le stage se structura autour des deux axes suivants :

• Amélioration de l’optimisation du critère de co-conception avec Code V : le résultat de l’optimisation sous Code V du critère de co-conception dépend aujourd’hui fortement du point de départ. Il s’agira d’améliorer la capacité de la co-optimisation sous Code V à trouver des solutions globalement optimales ;
• Co-tolérancement : L’étude de la sensibilité d’un système co-conçu est encore peu étudiée dans la littérature. Il s’agira d’analyser séparément la sensibilité de la combinaison optique co-conçue, puis du traitement, et enfin de l’ensemble optique + traitement à des défauts de fabrication et d’alignement du système. Il s’agira également de prendre en compte le tolérancement, ou plutôt le co-tolérancement, dès la phase d’optimisation via des fonctions de mérite native du logiciel Code V. De nouvelles métriques dédiées au tolérancement de systèmes co-conçus pourront être implémentées ;

Bibliographie : 

[Bur18] M.-A. Burcklen, H. Sauer, F. Diaz, F. Goudail, “Joint digital-optical design of complex lenses using a surrogate image quality criterion adapted to commercial optical design software,” Appl. Opt. 57, 9005-9015 (2018)
[Fon22a] A. Fontbonne, H. Sauer, F. Goudail, “Comparison of end-to-end optimization methods of optics and image processing in professional optical system design software”, Opt. Express 30(8), 13556-13571 (2022)
[Fon22b] A. Fontbonne, H. Sauer, F. Goudail, "Improved performance of a hybrid optical/digital imaging system with fast piecewise Wiener deconvolution," Opt. Express 30(19), 34343-34361 (2022)

Possibilité de faire une thèse :  oui (financement à demander : AID / ONERA)

François Goudail : francois.goudail@institutoptique.fr

Marie-Anne Burcklen : marie-anne.burcklen@institutoptique.fr