ISO 14880-2:2006
(Main)Optics and photonics — Microlens arrays — Part 2: Test methods for wavefront aberrations
Optics and photonics — Microlens arrays — Part 2: Test methods for wavefront aberrations
ISO 14880-2:2006 specifies methods for testing wavefront aberrations for microlenses within microlens arrays. It is applicable to microlens arrays with very small lenses formed inside or on one or more surfaces of a common substrate.
Optique et photonique — Réseaux de microlentilles — Partie 2: Méthodes d'essai pour les aberrations du front d'onde
L'ISO 14880-2:2006 spécifie des méthodes d'essai des aberrations du front d'onde pour les microlentilles en réseaux. Elle s'applique aux réseaux de très petites lentilles qui composent l'intérieur ou bien une ou plusieurs surfaces d'un substrat commun.
General Information
Standards Content (Sample)
NORME ISO
INTERNATIONALE 14880-2
Première édition
2006-02-01
Optique et photonique — Réseaux de
microlentilles —
Partie 2:
Méthodes d'essai pour les aberrations du
front d'onde
Optics and photonics — Microlens arrays —
Part 2: Test methods for wavefront aberrations
Numéro de référence
ISO 14880-2:2006(F)
©
ISO 2006
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ISO 14880-2:2006(F)
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Symboles et termes abrégés . 1
5 Appareillage . 2
5.1 Généralités . 2
5.2 Source de rayonnement optique normalisée. 2
5.3 Lentille étalon. 2
5.4 Collimateur . 2
5.5 Système optique de réduction du faisceau . 2
5.6 Diaphragme . 3
6 Principe de l'essai. 3
7 Configuration du mesurage. 3
7.1 Configuration du mesurage pour les microlentilles uniques . 3
7.2 Configuration du mesurage pour les réseaux de microlentilles . 4
7.3 Alignement géométrique de l'échantillon . 4
7.4 Préparation . 4
8 Mode opératoire . 4
9 Évaluation. 4
10 Exactitude. 5
11 Rapport d'essai . 5
Annexe A (normative) Exigences de mesurage pour les méthodes d'essai de microlentilles. 7
Annexe B (normative) Méthodes d'essai 1 et 2 de microlentilles en utilisant des interféromètres
de type Mach et Zehnder. 9
Annexe C (normative) Méthodes d'essai 3 et 4 de microlentilles en utilisant un interféromètre à
déplacement latéral . 14
Annexe D (normative) Méthode d'essai 5 de microlentilles en utilisant un détecteur de Shack-
Hartmann . 19
Annexe E (normative) Méthode d'essai 1 de réseau de microlentilles en utilisant un interféromètre
de Twyman-Green. 21
Annexe F (normative) Mesurage de l'uniformité d'un réseau de microlentilles par la méthode
d'essai 2. 23
Bibliographie . 26
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 14880-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
L'ISO 14880 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Optique et photonique —
Réseaux de microlentilles:
⎯ Partie 1: Vocabulaire
⎯ Partie 2: Méthodes d'essai pour les aberrations du front d'onde
⎯ Partie 3: Méthodes d'essai pour les propriétés optiques autres que les aberrations du front d'onde
⎯ Partie 4: Méthodes d'essai pou les propriétés géométriques
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Introduction
La présente partie de l'ISO 14880 spécifie les méthodes d'essai des aberrations du front d'onde pour les
réseaux de microlentilles. Parmi les exemples d'applications des réseaux de microlentilles figurent les
affichages tridimensionnels, l'optique de couplage associée aux sources de rayonnement optique en réseau
et aux photo-détecteurs, l'optique améliorée pour les affichages à cristaux liquides et les éléments optiques
des processeurs parallèles.
Le marché des réseaux de microlentilles crée un besoin urgent d'accord sur la terminologie de base et sur les
méthodes d'essai afin de définir le réseau de microlentilles lui-même. Une terminologie normalisée et une
définition claire sont nécessaires non seulement pour promouvoir les applications mais également pour
encourager les scientifiques et les ingénieurs à échanger des idées et de nouveaux concepts basés sur une
compréhension commune.
Les microlentilles sont utilisées sous forme de lentilles uniques ou en réseaux de deux lentilles ou plus. Les
caractéristiques des lentilles sont fondamentalement évaluées avec une seule lentille. Il est donc important de
pouvoir évaluer en premier la caractéristique de base d'une lentille unique. Toutefois, si un grand nombre de
lentilles se composent d'un seul substrat, le mesurage de l'ensemble du réseau prendra beaucoup de temps
et sera onéreux. En outre, des méthodes de mesure des formes des lentilles sont indispensables en tant
qu'outil de production.
L'ISO 14880-1, Vocabulaire, définit des méthodes d'évaluation des paramètres caractéristiques. Elle a été
complétée par un jeu de trois Normes internationales, à savoir: Partie 2, Méthodes d'essai pour les
aberrations du front d'onde, Partie 3, Méthodes d'essai pour les caractéristiques optiques autres que les
aberrations du front d'onde et Partie 4, Méthodes d'essai pour les propriétés géométriques.
La présente partie de l'ISO 14880 spécifie les méthodes de mesure de la qualité du front d'onde. La qualité du
front d'onde est la caractéristique de base des performances d'une microlentille. Les caractéristiques autres
que les aberrations du front d'onde sont spécifiées dans l'ISO 14880-3 et dans l'ISO 14880-4.
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NORME INTERNATIONALE ISO 14880-2:2006(F)
Optique et photonique — Réseaux de microlentilles —
Partie 2:
Méthodes d'essai pour les aberrations du front d'onde
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 14880 spécifie des méthodes d'essai des aberrations du front d'onde pour les
microlentilles en réseaux. Elle s'applique aux réseaux de très petites lentilles qui composent l'intérieur ou bien
une ou plusieurs surfaces d'un substrat commun.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 14880-1:2001, Optique et photonique — Réseaux de microlentilles — Partie 1: Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 14880-1 s'appliquent.
4 Symboles et termes abrégés
Tableau 1 — Symboles, termes abrégés et unités de mesure
Symbole Unité Terme
Φ λ aberration du front d'onde
Φ λ valeur de l'aberration du front d'onde pic-vallée
P-V
Φ λ moyenne quadratique de l'aberration du front d'onde
rms
λ µm longueur d'onde
Θ degré angle de réception
NA aucune ouverture numérique
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5 Appareillage
5.1 Généralités
Le système d'essai se compose d'une source de rayonnement optique, d'une lentille collimatrice, d'un
dispositif de limitation de l'ouverture de mesure, d'un porte-échantillon, d'une optique d'imagerie, d'un capteur
d'images et d'un système d'analyse des interférences.
5.2 Source de rayonnement optique normalisée
Une source de rayonnement optique adaptée aux essais des aberrations du front d'onde des microlentilles
doit être utilisée. La moyenne quadratique de l'écart des aberrations du front d'onde, à la longueur d'onde
opérationnelle atteignant l'équipement d'essai, doit être u λ/10, sur la pupille de la microlentille soumise à
essai.
La longueur d'onde centrale, la demi-largeur du spectre, le type de source de rayonnement optique, les états
de polarisation (rayonnement optique à polarisation aléatoire, rayonnement optique à polarisation linéaire,
rayonnement optique à polarisation circulaire, etc.), l'angle de luminance (en mrad), la taille du point focal ou
le col du laser font partie des propriétés de la source à spécifier. Sinon, la spécification de la source de
rayonnement doit être décrite dans les documents indiquant les résultats expérimentaux.
NOTE 1 On utilise généralement des lasers à He-Ne. D'autres lasers à gaz, des lasers solides, à semi-conducteurs
(LD) ainsi que des diodes électroluminescentes (DEL) sont également utilisés.
NOTE 2 Les LD et les DEL sont associés à un système approprié de compensation des aberrations du front d'onde
optique.
5.3 Lentille étalon
Lors de l'utilisation d'une lentille étalon comme référence ou pour créer une onde sphérique idéale, les
aberrations du front d'onde de cette lentille doivent être inférieures d'au moins un ordre de grandeur à celles
de la lentille soumise à essai ou doivent être u λ/10 de la moyenne quadratique de l'écart.
La lentille de l'objectif d'un microscope optique est généralement utilisée comme lentille étalon; elle doit être
spécifiée avec une ouverture numérique effective. Les indications suivantes doivent être fournies:
⎯ ouverture effective;
⎯ distance focale effective à la longueur d'onde opérationnelle.
Pour le mesurage des aberrations du front d'onde, la géométrie d'essai se limite au cas ∞/f pour les points
conjugués de la lentille.
5.4 Collimateur
L'optique du collimateur doit avoir une ouverture numérique plus grande que l'ouverture numérique maximale
de l'échantillon pour essai et suffisante pour éviter les effets de la diffraction. Les aberrations du front d'onde
doivent être inférieures à λ/20 de la moyenne quadratique de l'écart, à la longueur d'onde opérationnelle.
Sinon, il convient de décrire la spécification utilisée dans le rapport d'essai.
5.5 Système optique de réduction du faisceau
Un système télescopique se composant de deux lentilles convexes afocales est utilisé pour adapter la section
du faisceau au détecteur matriciel. Le rapport des longueurs focales donne le facteur de réduction.
NOTE Le diamètre de la surface de la lentille évaluée peut être réglé à l'aide d'un logiciel sur l'ouverture effective afin
d'éviter une diffraction supplémentaire au niveau de l'ouverture physique.
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5.6 Diaphragme
Un diaphragme est placé dans le faisceau de rayonnement optique de l'équipement d'essai afin de limiter le
diamètre du faisceau optique incident sur la lentille à soumettre à essai. Ce diaphragme peut également être
réalisé à partir d'un logiciel troncateur.
6 Principe de l'essai
Les aberrations du front d'onde de la microlentille pour essai doivent être déterminées à l'aide d'un
interféromètre ou de tout autre dispositif d'essai du front d'onde décrit dans les annexes. Il faut prendre des
précautions en cas d'utilisation de faisceaux gaussiens de petit diamètre car l'optique géométrique ne
s'applique pas à la propagation de ces faisceaux. La surface du détecteur et la pupille d'entrée ou de sortie de
la microlentille pour essai doivent être des points conjugués. Une ouverture est utilisée pour analyser les
données afin de rechercher les aberrations du front d'onde.
La méthode d'essai choisie doit être adaptée à l'application. Des applications à simple passage nécessitent,
par exemple, d'effectuer les essais avec des interféromètres à simple passage.
NOTE Les interféromètres modernes utilisent un rayon laser qui présente un gros avantage en ce qui concerne le
montage de l'essai interférométrique mais qui crée de graves problèmes si l'on choisit un montage en double passage du
rayonnement optique réfléchi, lors de l'utilisation d'interféromètres de Fizeau ou de Twyman-Green. Toutes les limites
diélectriques contribueront à créer des franges d'interférences parasites.
Les configurations utilisant le rayonnement optique transmis sont moins perturbées par des franges parasites
que les interféromètres classiques. Il est préférable d'utiliser des interféromètres de type Mach et Zehnder ou
à déplacement latéral ou encore aux configurations de Shack-Hartmann du rayonnement optique transmis.
Pour le mesurage des aberrations du front d'onde, un montage en simple passage du rayonnement optique
transmis sera donc privilégié à cet effet.
7 Configuration du mesurage
7.1 Configuration du mesurage pour les microlentilles uniques
Des interféromètres ou des détecteurs de front d'onde doivent être utilisés pour mesurer le front d'onde
transmis de la microlentille soumise à essai. Les interféromètres à simple passage, tels que ceux de Mach et
Zehnder, les interféromètres à déplacement latéral ou à double passage, tels que ceux de Fizeau et de
Twyman-Green ainsi que les détecteurs de front d'onde de Shack-Hartmann peuvent être utilisés pour
effectuer les essais présentés dans les Annexes B à D.
Les exigences relatives au mesurage doivent être définies. Les critères types pour le choix d'une méthode
déterminée sont les suivants:
⎯ exactitude requise,
⎯ propriétés à mesurer,
⎯ souplesse du mesurage,
⎯ coût,
⎯ essai du point focal sur une lentille ou mesurage complet.
Pour plus de détails, voir l'ISO/TR 14999-2.
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7.2 Configuration du mesurage pour les réseaux de microlentilles
Des interféromètres ou des détecteurs de front d'onde doivent être utilisés pour mesurer simultanément des
réseaux complets ou des parties de réseaux dans le rayonnement transmis. Des configurations types d'essai
sont décrites dans les Annexes E et F.
NOTE Alors que l'essai de lentilles uniques sélectionnées dans un réseau se fera avec une irradiation de l'onde
sphérique de la lentille échantillon, ce n'est généralement pas possible pour les essais d'un réseau. Une irradiation par
une onde plane est alors mieux adaptée dans la plupart des cas ou bien il faut prendre des dispositions particulières
faisant intervenir des éléments de division du front d'onde par diffraction (voir, par exemple, la Référence [9]).
7.3 Alignement géométrique de l'échantillon
En général, la microlentille soumise à essai et son optique de couplage doivent être mises en alignement
coaxial avec les instruments de mesure du front d'onde. Des instruments et/ou dispositifs d'alignement
optique sont disponibles dans le commerce à cet effet.
NOTE L'échantillon est placé sur une platine telle qu'un support pneumatique ayant deux ou trois degrés de liberté
d'ajustement.
7.4 Préparation
Pour obtenir des résultats homogènes, l'équipement d'essai doit être maintenu dans un environnement
contrôlé en température et ne pas être exposé à des vibrations.
Les surfaces optiques à soumettre à essai doivent être propres. Les surfaces en verre non revêtues peuvent
être nettoyées en toute sécurité avec de l'alcool et de la ouate. Avant de la passer une seule fois sur la
surface et de la jeter ensuite, il convient d'imprégner la ouate d'une toute petite quantité de solvant, ce afin de
réduire les risques de rayure de la surface à leur valeur minimale. La poussière peut être retirée à l'aide d'une
brosse propre en poil de chameau ou d'air comprimé filtré.
Il convient d'être très prudent avec les surfaces optiques revêtues, telles que les surfaces antireflet, et de ne
les nettoyer que si c'est absolument nécessaire. Elles peuvent être dépoussiérées à l'air comprimé filtré.
Il convient de demander des conseils sur l'utilisation correcte des solvants, tissus de coton ou autres
matériaux de nettoyage.
8 Mode opératoire
Les exigences de mesurage et les méthodes types de mesurage des aberrations du front d'onde des lentilles
uniques sont décrites dans les Annexes A à D.
Des exemples de mesurage des aberrations du front d'onde des réseaux de microlentilles sont décrits dans
les Annexes E et F.
9 Évaluation
L'aberration du front d'onde peut être calculée à partir de l'interférogramme (voir Références [8] et [12]) ou
d'autres systèmes de mesure du front d'onde, décrits dans les Annexes A à F. Un logiciel spécifié permet de
déduire les coefficients primaires de Zernike à partir des aberrations du front d'onde de lentilles sphériques à
pupille circulaire.
NOTE 1 Les coefficients de Zernike types sont les suivants:
⎯ aberration sphérique,
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⎯ astigmatisme,
⎯ coma.
NOTE 2 Pour d'autres formes de pupille de lentille (par exemple rectangulaire), voir l'ISO/TR 14999-2.
Les aberrations du front d'onde mesurées sur les échantillons doivent être évaluées et consignées, par
exemple, en valeurs pic-vallée ou en moyennes quadratiques.
Il convient d'être prudent en interprétant les valeurs pic-vallée car elles sont perturbées par des valeurs
parasites. Il est recommandé d'utiliser à la place le chiffre de la moyenne quadratique multiplié par six.
10 Exactitude
Les aberrations du front d'onde d'un échantillon sont mesurées par un système d'essai du front d'onde qui
peut lui-même introduire certaines aberrations. L'exactitude de mesure peut être améliorée en soustrayant les
aberrations du système.
11 Rapport d'essai
Les résultats des essais doivent être consignés et comporter les informations suivantes, s'il y a lieu:
a) informations générales:
1) essai effectué conformément à l'ISO 14880-2:2005;
2) date de l'essai;
3) nom et adresse de l'organisation effectuant l'essai;
4) nom de la personne ayant effectué l'essai;
b) informations concernant la lentille soumise à essai:
1) type de lentille;
2) fabricant;
3) modèle;
4) numéro de série;
c) conditions d'essai (conditions environnementales):
1) température;
2) humidité relative;
d) informations concernant les essais et l'évaluation:
1) méthode d'essai utilisée;
2) système optique utilisé;
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3) irradiation:
i) type de source,
ii) longueur d'onde,
iii) demi-largeur du spectre de rayonnement optique,
iv) état de polarisation,
v) angle d'éclairement,
vi) taille du point focal;
4) détecteur;
5) ouverture;
e) résultats des essais:
1) valeur pic-vallée de l'aberration du front d'onde Φ ;
P-V
2) moyenne quadratique de l'aberration du front d'onde Φ ;
rms
3) polynômes de Zernike ou autres coefficients polynomiaux.
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Annexe A
(normative)
Exigences de mesurage
pour les méthodes d'essai de microlentilles
L'essai portant sur les aberrations du front d'onde des microlentilles doit être effectué en rayonnement optique
transmis et dans un montage à simple passage, que ce soit un interféromètre de type Mach et Zehnder, un
interféromètre à déplacement latéral ou un capteur de front d'onde de Shack-Hartmann. Un dispositif d'essai à
simple passage est nécessaire pour avoir une imagerie nette de la pupille de la lentille sur le réseau de
détecteurs ou de capteurs et aux fortes perturbations dues aux reflets parasites dans le cas d'un montage en
double passage, comme l'interféromètre de Fizeau ou de Twyman-Green. Dans une géométrie à double
passage, la lentille soumise à essai donne deux images de sa pupille, dont l'une est défocalisée, ce qui
provoque des effets de diffraction comme un coin d'air sur les bords de la lentille soumise à essai. Ces effets
peuvent être évités en utilisant une configuration à simple passage car tous les reflets des surfaces de la
lentille dans le système optique auxiliaire sont négligeables vers l'avant, étant réfléchis deux fois au niveau
des surfaces revêtues antireflet. En outre, du fait de l'imagerie nette de la pupille de la lentille, il n'y a pas
d'ambiguïtés concernant la définition des aberrations du front d'onde.
Le dispositif d'essai ne doit pas introduire d'aberrations propres. Dans la géométrie de Mach et Zehnder, dans
laquelle l'échantillon pour essai est placé dans un bras de l'interféromètre et où le bras de référence donne un
front d'ondes planes, les éléments optiques de séparation ou de recombinaison des faisceaux soient
traversés uniquement par des ondes planes. Des ondes sphériques provoqueraient une aberration sphérique,
voire des aberrations pour les lames séparatrices de faisceaux asymétriques. Des exigences similaires
s'appliquent également au détecteur de Shack-Hartmann malgré l'absence de lame séparatrice dans ce cas.
Dans le cas des interféromètres à déplacement latéral, il est nécessaire de conserver la symétrie du dispositif
de déplacement et une conception aussi simple que possible (voir, par exemple, l'interféromètre à
déplacement qui repose sur deux réseaux de phase dans une configuration en série [essais en réseau]), afin
d'éviter des erreurs de mesure supplémentaires.
Le diamètre des microlentilles se situant dans une plage comprise entre 10 µm et quelques millimètres, il est
nécessaire de prévoir des dispositifs permettant de modifier le grossissement d'au moins deux ordres de
grandeur afin de remplir l'ouverture du capteur matriciel, généralement une matrice de CCD, pour obtenir une
résolution latérale suffisante pour pouvoir soumettre également à essai des fronts d'onde très déformés sans
enfreindre le théorème d'échantillonnage. Étant donné la plage importante des grossissements associée à
l'exigence d'un interféromètre d'ondes planes, le microscope à imagerie doit être intégré dans le bras d'essai
car des rapports de grossissement élevés ne peuvent généralement être obtenus qu'avec de courtes
distances de travail de l'objectif du microscope à imagerie. Si l'objectif à imagerie doit être utilisé à l'extérieur
de la structure interférométrique, des types d'objectifs spéciaux sont nécessaires pour permettre d'obtenir des
rapports de grossissement élevés avec de longues distances de travail. Deux autres solutions seront étudiées
plus en détail pour montrer l'intérêt des interféromètres de Mach et Zehnder pour l'essai des aberrations du
front d'onde. Le microscope à imagerie sera de préférence de type télescopique, afin de conserver des ondes
planes dans le bras d'essai au niveau de l'élément de recombinaison des faisceaux,.
Le changement de grossissement exige des dispositions particulières pour adapter le rapport de séparation
entre les deux bras de l'interféromètre afin d'obtenir un contraste suffisant des franges d'interférence. À cet
effet, le meilleur choix consiste à utiliser un séparateur polarisant se composant d'une lame séparatrice
polarisante associée à deux plateaux quart d'onde (QWP), un dans chaque bras de l'interféromètre, et à un
plateaux demi-onde (HWP) devant le dispositif de fractionnement pour assurer la rotation du vecteur de
polarisation.
Il est également nécessaire de prévoir des moyens de faire varier l'intensité moyenne indépendamment du
rapport de séparation car, sinon, le capteur pourrait arriver à saturation, donnant des résultats de mesure
erronés du fait de distorsions non linéaires du signal.
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ISO 14880-2:2006(F)
Le mesurage des aberrations du front d'onde nécessite l'irradiation de la lentille pour essai par l'arrière par un
front d'onde sphérique produit par l'objectif d'un microscope de grande qualité ayant une ouverture numérique
supérieure à celle de la lentille soumise à essai. Cet objectif doit avoir une définition de Strehl supérieure à
95 % afin de simplifier l'essai, rendant ainsi les étalonnages obsolètes dans la plupart des cas.
Pour la caractérisation des lentilles à petite ouverture numérique, il est également conseillé d'assurer
l'irradiation de l'échantillon
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