When the light passes through optical elements it can cause deformation of wavefront light due to the damage of materials and optical aberrations. The deformation leads to unprecise imaging and deformation of an image. The diploma work mentions wavefront sensing techniques which are important for determination inappropriate errors of optical elements and the specification of their properties. The purpose of the master's thesis is to suggest and investigate wavefront sensing methods after the light passes through the optical element while using the digital micromirror device. The work deals with the topic of wavefront aberrations and geometric optical defects of optical elements. Different kinds of commercial products determined for wavefront sensing are described too.

Wavefront sensing is a fundamental problem in applied optics. Wavefront sensors that work in a deterministic manner are of particular interest. Initialized with a unified theory for classical wavefront sensors, this dissertation discusses relevant properties of wavefront sensor designs. Based on which, a new wavefront sensor, termed Coded Wavefront Sensor, is proposed to leverage the advantages of the analysis, especially the lateral wavefront resolution. A prototype was built to demonstrate this new wavefront sensor. Given that, two specific applications are demonstrated: megapixel adaptive optics and simultaneous intensity and phase imaging. Combined with a spatial light modulator, a hardware deconvolution approach is demonstrated for computational cameras via a high resolution adaptive optics system. By simply switching the normal image sensor with the proposed one, as well as slight change of illumination, a bright field microscope can be configured to a simultaneous intensity and phase microscope. These show the broad application range of the proposed computational wavefront sensing approach. Lastly, this dissertation proposes the idea of differentiable optics for wavefront engineering and lens metrology. By making use of automatic differentiation, a physically-correct differentiable ray tracing engine is built, with its potentials being illustrated via several challenging applications in optical design and metrology.

Adaptive optic technology has revolutionized real time correction of wavefront aberrations. Optofluidic based applied optic devices have offered an opportunity to produce flexible refractive lenses in the correction of wavefronts. Fluidic lenses have superiority relative to their solid lens counterparts in their capabilities of producing tunable optical systems, that when synchronized, can produce real time variable systems with no moving parts. We have developed optofluidic fluidic lenses for applications of applied optical devices, as well as ophthalmic optic devices. The first half of this dissertation discusses the production of fluidic lenses as optical devices. In addition, the design and testing of various fluidic systems made with these components are evaluated. We begin with the creation of spherical or defocus singlet fluidic lenses. We then produced zoom optical systems with no moving parts by synchronizing combinations of these fluidic spherical lenses. The variable power zoom system incorporates two singlet fluidic lenses that are synchronized. The coupled device has no moving parts and has produced a magnification range of 0.1 x to 10 x or a 20 x magnification range. The chapter after fluidic zoom technology focuses on producing achromatic lens designs. We offer an analysis of a hybrid diffractive and refractive achromat that offers discrete achromatized variable focal lengths. In addition, we offer a design of a fully optofluidic based achromatic lens. By synchronizing the two membrane surfaces of the fluidic achromat we develop a design for a fluidic achromatic lens.The second half of this dissertation discusses the production of optofluidic technology in ophthalmic applications. We begin with an introduction to an optofluidic phoropter system. A fluidic phoropter is designed through the combination of a defocus lens with two cylindrical fluidic lenses that are orientated 45° relative to each other. Here we discuss the designs of the fluidic cylindrical lens coupled with a previously discussed defocus singlet lens. We then couple this optofluidic phoropter with relay optics and Shack-Hartmann wavefront sensing technology to produce an auto-phoropter device. The auto-phoropter system combines a refractometer designed Shack-Hartmann wavefront sensor with the compact refractive fluidic lens phoropter. This combination allows for the identification and control of ophthalmic cylinder, cylinder axis, as well as refractive error. The closed loop system of the fluidic phoropter with refractometer enables for the creation of our see-through auto-phoropter system. The design and testing of several generations of transmissive see-through auto-phoropter devices are presented in this section.

L’ELT (Extremely Large Telescope), est un télescope de diamètre 39 m en cours de réalisation par l’Observatoire Européen Austral (ESO). Pour pouvoir tirer pleinement parti de sa taille, ses instruments seront équipés de systèmes d’Optique Adaptative (OA) qui compenseront la turbulence atmosphérique. Ces systèmes d’OA requièrent l’utilisation d’étoiles guides laser afin de maximiser la couverture du ciel. Les étoiles guides laser sont générées par laser accordé sur une résonance d’atome de sodium présents dans une couche d’une épaisseur de 10 km et située à environ 90 km d’altitude. Une étoile laser est donc un cylindre lumineux dans la haute atmosphère, allumé par la relaxation des atomes. L’analyse de front d’onde à l’aide de ces étoiles artificielles souffrent de limitations connues. De plus, sur un télescope de la taille de l’ELT, leur utilisation est compliquée par l’effet de perspective qui provoque un allongement de l’étoile guide lorsqu’elle est vue d’un point éloigné de son point de lancement au sol : le cylindre n’est plus vu par une section circulaire, mais sur le côté. Sur un télescope de 39m, l’élongation de l’étoile peut alors atteindre jusqu’à 20 secondes d’arc, à comparer avec le diamètre du cylindre qui est déterminé par la turbulence, soit de l’ordre d’une seconde d’arc. La variabilité de l’épaisseur, de l’altitude et de la distribution de densité de la couche de sodium ont alors un impact sur la mesure du front d’onde.L’étude de ce problème, qui porte à la fois sur les algorithmes de mesure et le design des analyseurs de front d’onde, a donné lieu à de nombreux travaux s’appuyant sur des simulations et des tests en laboratoire. Le but de cette thèse a été d’étudier cette question à l’aide de données expérimentales obtenues sur le ciel. Ces données ont été enregistrées grâce au démonstrateur d’OA CANARY, situé sur le télescope William Herschel sur l’île de la Palma aux Canaries. CANARY a été développé par le LESIA, en collaboration avec l’Université de Durham; le laser et son télescope d’émission ont été fournis et opéré par l’ESO. Lors de cette expérience, l'allongement extrême des étoiles laser qui sera observé sur l'ELT a été reproduit en plaçant le télescope d’émission à environ 40m du télescope William Herschel. Le front d'onde a ensuite été mesuré sur l’étoile laser allongée ainsi crée.Les travaux effectués pendant cette thèse ont consisté en la préparation de l’instrument et en particulier de l’analyseur de front d’onde de l’étoile laser, la réalisation des observations et le traitement des données résultant de ces dernières. L’analyse de ces données a permis de construire un budget d’erreur de la mesure de front d’onde sur étoile laser allongée. Grâce à ce budget d’erreur, les performances de différents algorithmes de mesure ont été comparées, ainsi que leur comportement face à la variabilité du profil de sodium et des conditions de turbulence. Enfin, différentes configurations d’analyseurs ont été extrapolées, ce qui a permis d’établir des limites sur leur design dans le cadre de l’ELT. / The ELT (Extremely Large Telescope) is a telescope whose diameter is 39 m currently under construction by the European Southern Observatory (ESO). In order to fully benefit from its size, ELT instruments will be equipped with Adaptive Optics (AO) systems to compensate the atmospheric turbulence. These AO systems require the use of Laser Guides Stars (LGS) in order to have as large a sky coverage as possible. LGS are generated using a laser tuned on a resonant frequency of sodium atoms contained in a layer approximately 90km high and 10 km thick. Therefore, a LGS is a luminous cylinder in the high atmosphere, lighted by sodium atoms relaxation. Wavefront sensing on these artificial stars suffers from known limitations. On a telescope the size of the ELT, their use is further complicated by the perspective effect which causes an elongation of the LGS when it is seen from a point distant from its launch position : the cylinder is no longer seen by its circular section, but on the side. On a 39m telescope, the elongation can reach up to 20 arcseconds, which is large compared to to the diameter of the cylinder determined by the turbulence, that is about 1 arcsecond. Variability of the thickness, height and density distribution of the sodium layer then have an impact on wavefront sensing. The study of this problem, which concerns both sensing algorithms and wavefront sensor design, has already been the subject of many work relying on simulations and laboratory experiments. This thesis aims at studying this question using experimental data obtained on sky. These data were acquired using the AO demonstrator CANARY, placed on the William Herschel Telescope (WHT) on the island of La Palma in the Canaries Island. CANARY was developed by LESIA in collaboration with Durham University; the laser and its launch telescope were supplied and operated by ESO. In this experiment, the extreme elongation of LGS as will be seen on the ELT was reproduced by placing the launch telescope 40 m away from the William Herschel Telescope. The wavefront was the measured on the elongated LGS thus created. The studies led during this thesis consisted in the preparation of the instrument and in particular the LGS Wavefront Sensor (WFS), the realisation of the observations and processing on the data obtained. Analysis of these data allowed to build an error breakdown of wavefront sensing on the elongated LGS. Thanks to this error breakdown, performances of different measurement algorithms where compared, as well as their behaviour according to the variability of the sodium profile and the turbulence conditions. Finally, different wavefront sensor designs were extrapolated which allowed to establish limits on their designs for the ELT.

One of the highest resolution astronomical images ever taken in the visible were obtained by combining the techniques of adaptive optics and lucky imaging. The Adaptive Optics Lucky Imager (AOLI), being developed at Cambridge as part of a European collaboration, combines these two techniques in a dedicated instrument for the first time. The instrument is designed initially for use on the 4.2m William Herschel Telescope (WHT) on the Canary Island of La Palma. This thesis describes the development of AOLI, in particular the adaptive optics system and a new type of wavefront sensor, the non-linear curvature wavefront sensor (nlCWFS), being used within the instrument. The development of the nlCWFS has been the focus of my work, bringing the technique from a theoretical concept to physical realisation at the WHT in September 2013. The non-linear curvature wavefront sensor is based on the technique employed in the conventional curvature wavefront sensor where two image planes are located equidistant either side of a pupil plane. Two pairs of images are employed in the nlCWFS providing increased sensitivity to both high- and low- order wavefront distortions. This sensitivity is the reason the nlCWFS was selected for use with AOLI as it will provide significant sky-coverage using natural guide stars alone, mitigating the need for laser guide stars. This thesis is structured into three main sections; the first introduces the non-linear curvature wavefront sensor, the relevant background and a discussion of simulations undertaken to investigate intrinsic effects. The iterative reconstruction algorithm required for wavefront reconstruction is also introduced. The second section discusses the practical implementation of the nlCWFS using two demonstration systems as the precursor to the optical design used at the WHT and includes details of subsequent design changes. The final section discusses data from both the WHT and a laboratory setup developed at Cambridge following the observing run. The long-term goal for AOLI is to undertake science observations on the 10.4m Gran Telescopio Canarias, the world's largest optical telescope. The combination of AO and lucky imaging, when used on this telescope, will provide resolutions a factor of two higher than ever before achieved at visible wavelengths. This offers the opportunity to probe the Cosmos in unprecedented detail and has the potential to significantly advance our understanding of the Universe.

Imager une exo-terre à proximité d’une étoile est une tâche complexe : le signal de la planète est noyé dans le flux immense de l’étoile, très proche. Doivent donc être combinés :- de grands télescopes spatiaux segmentés. La segmentation du miroir primaire facilite le transport mais crée des erreurs liées à l’alignement.- un coronographe, permettant d’éteindre la lumière stellaire. - enfin, toute aberration optique crée un résidu lumineux nuisible dans l’image. La mesure et le contrôle des aberrations d’un système coronographique, notamment celles liées à la segmentation du télescope, sont donc primordiaux et constituent le sujet de ma thèse.Tout d’abord, j’ai développé PASTIS, un modèle simplifié du contraste d’un coronographe en présence d’une pupille segmentée, permettant d’analyser facilement les performances pour contraindre les aberrations optiques lors du design de l’instrument. PASTIS prend en compte les spécificités des instruments : structure de la pupille, aberrations optiques dues à la segmentation, coronographe. Je l’ai appliqué au télescope LUVOIR afin d’analyser les modes limitant le contraste et ainsi mieux répartir les contraintes sur les segments. Par la suite, j’ai travaillé sur l’analyse de front d’onde coronographique en présence d’un télescope segmenté sur le banc expérimental HiCAT avec une première démonstration de l’analyseur COFFEE permettant de reconstruire les erreurs de phasage avec une grande précision. Enfin, j’ai mené une analyse comparative des multiples méthodes de contrôle de front d’onde existantes et validé l’une d’elles (Dark Hole Non Linéaire) expérimentalement dans un cadre simplifié sur le banc MITHIC du LAM / Direct imaging of exo-Earths is extremely complex: the star is by far brighter and very close to the planet. Several tools have to be combined:- a giant primary mirror. For manufacturing and transportation reasons, we tend to use segmented mirrors, ie. mirrors made of smaller mirrors but that have to be well-aligned and stabilised.- a coronagraph, enabling to remove the starlight.- the smallest residual wavefront aberration into residual light that decreases the image quality. The measurement and control of the aberrations, including the ones due to the telescope segmentation, are crucial and consist in the topic of my thesis.First, I developed PASTIS, a model of the contrast of a coronagraphic system in presence of a segmented pupil, enabling to analyze the performance to set up constraints on the optical aberrations during the instrument design. PASTIS takes into account the specificities of high-contrast instruments: pupil structure, optical aberrations due to the segmentation, coronagraph. I applied it to the LUVOIR telescope to analyze the main modes limiting the contrast and therefore optimizing the repartition of the constraints on the segments. In parallel, I worked on the analysis of the coronagraphic wavefront in presence of a segmented telescope on the experimental testbed called HiCAT, with a first demonstration of the COFFEE sensor enabling to reconstruct phasing errors with a high precision.Eventually, I ran a comparative analysis of existing methods of wavefront control and experimentally validated one of them (Non Linear Dark Hole) in a simplified case on the MITHIC testbed at LAM

No description available.

Cette thèse a pour but d'étudier l'utilisation d'un analyseur de front d'onde basé sur l'interférométrie à décalage quadri-latéral pour l'imagerie microscopique en transmission. Cette technique d'interférométrie, développée initialement par la société Phasics (Palaiseau) pour les marchés de la métrologie optique et de la caractérisation de faisceaux laser essentiellement, peut aussi permettre d'obtenir la cartographie d'un champ électromagnétique complexe par mesure de front d'onde. En l'utilisant sur un microscope en condition d'imagerie, nous avons obtenu des images de l'intensité et de la différence de chemin optique introduite par un échantillon semi-transparent, définissant ainsi une nouvelle technique de contraste de phase quantitatif. Il s'agit d'un travail codirigé entre l'Institut Fresnel et l'entreprise Phasics (convention CIFRE), mené en collaboration avec le Centre d'Immunologie de Marseille Luminy. Dans cette thèse, nous discutons dans un premier temps de l'utilisation de l'analyseur en tant que détecteur placé dans le plan image d'un microscope optique classique, puis nous considérons deux modèles pour la formation des images de différence de chemin optique. Le premier modèle, dit projectif dans l'espace objet, suppose une mesure directe par l'analyseur de la différence de chemin optique locale introduite par l'échantillon. Nous montrons que cette hypothèse est valable pour deux applications particulières : la détermination de la quantité de matière sèche au sein d'un échantillon biologique, et la cartographie de la distribution de température induite par échauffement de particules d'or dans le plan objet du microscope. Le deuxième modèle prend en compte les effets de diffraction simple par l'échantillon et de filtrage par le système d'imagerie, en considérant l'angle sous lequel l'échantillon est illuminé. / The aim of this thesis is the use of a quadriwave lateral shearing interferometer for transmission microscopic imaging. First developped for optical metrology and laser beam caracterisation by the Phasics company (Palaiseau), this interferometric technique gives complexe electromagnetic field cartography by wavefront sensing. Using a microscope in imaging conditions, we obtained intensity and optical path difference images introduced by a semi-transparent sample. Thereby, we defined a new quantitative phase contrast technique.This work is co-directed by the Fresnel Institute and the Phasics company (CIFRE convention), in collaboration with the Centre Immunologique de Marseille Luminy. In this thesis, first we discuss the wavefront sensor use as a sensor plugged on the classical optical microscope image plane ; then we consider two models for optical path difference image formation. The first one, named object space projection, supposes a direct measurement of the optical path difference introduced by a sample. We show that this hypothesis is valid for two particular applications : dry matter determination within a biological sample, and temperature distribution induced by gold nano-particule heating. Thesecond model takes into account the simple sample diffraction and the optical device filtering depending on the illumination angle. This second approach allows us to build a model for intensity and optical path difference image formation for any planewave illumination. So we studied the image formation from a spatially partial incoherent illumination to a complete incoherent illumination. We made electromagnetic field measurements with the wavefront sensor in this last case. Then we discuss semi-transparent tomographic reconstruction by measurements in different imaging planes.One chapter is dedicated to quantitative phase imaging in biology, in particular with mitotic index determination within a cell population.

Les télécommunications laser en espace libre sont limitées en portée par la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative, par la correction de la phase turbulente à l'émission du faisceau, a permis d'étendre leur domaine d'exploitation.Toutefois, sur de longues distances de propagation, cette correction n'est plus suffisante et il faut également précompenser l'amplitude du faisceau émis. De premières études numériques ont montré que le principe de retournement temporel, ou plus exactement de conjugaison de phase bidirectionnelle itérative, conduirait à des conditions satisfaisantes de focalisation du faisceau laser en fort régime de turbulence.Le principe de conjugaison de phase n'ayant été étudié que théoriquement jusque-là, mon travail de thèse s'est attaché à mettre en oeuvre un démonstrateur expérimental pour quantifier les performances de cette technique dans des conditions maîtrisées. En parallèle, une simulation de bout en bout de l'expérience a permis d'évaluer l'influence d'erreurs d'étalonnage sur les performances finales de la correction et de valider les résultats expérimentaux obtenus. Les points durs de la mise en oeuvre d'un système de télécommunications laser en espace libre ont ainsi été identifiés.L'ensemble de ces travaux constitue la toute première démonstration expérimentale du principe de retournement temporel optique. D'autres domaines d'application comme les lasers de puissance ou la propagation à travers des milieux biologiques très diffusants, nécessitant également de corriger le faisceau à l'émission, sont concernés. / Free Space Optical communications (FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics can mitigate turbulence effects by adding a phase modulation on the emitted laser beam. However, both phase and amplitude modulation are needed to perform long range FSO. Previous numerical studies have shown that iterative phase conjugation is an efficient modulation technique for lasercom systems.This PhD thesis is dedicated to the development and the realization of the first experimental demonstration of the iterative phase conjugation principle in a controlled turbulence environment. An optical bench, representative of a long range propagation through strong turbulence, has been scaled down to few-meters propagation in visible.Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative phase conjugation is performed and results cross-correlated with an end-to-end model representative of the optical bench.This work is the first experimental demonstration of the optical phase conjugation principle. Applications can be found in other fields than lasercoms, such as high power lasers or propagation through highly diffusing biological tissues, both in need of laser emission modulation.

La microscopie par diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) est une technique de spectro-imagerie qui permet de cartographier les modes vibrationnels intra-moléculaires d'un échantillon biologique, sans nécessité de marquage préalable. La mesure CARS est cependant dégradée par un "fond non-résonant" qui détériore le contraste. Récemment, la microscopie par diffusion Raman stimulée (SRS) fut proposée comme une alternative à la microscopie CARS, permettant d'obtenir une imagerie "sur fond noir". Dans cette thèse, nous décrivons le développement d'un microscope SRS. Nous évaluons le caractère spécifique des contrastes CARS et SRS dans le cadre d'une application biomédicale concrète, à savoir la détection de mélanomes humains. Nous présentons une description exhaustive des phénomènes physiques pouvant conduire à des artéfacts de mesure en SRS. Nous proposons finalement une technique basée sur l'utilisation de trois faisceaux d'excitation à trois couleurs, permettant de supprimer ces artéfacts. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la microscopie CARS en configuration plein champ. Nous proposons une méthode permettant de supprimer le fond non-résonant. Celle-ci est basée sur une analyse de front d'onde du champ anti-Stokes. En guise d'ouverture, nous proposons une technique - toujours basée sur l'analyse de front d'onde - permettant de réaliser la spectroscopie d'absorption quantitative de nano-objets. Nous illustrons le potentiel de cette technique en réalisant des mesures sur des matrices de nanoparticules d'or et sur des nanoparticules uniques. / Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) microscopy is a technique that can map the spatial distribution of intra-molecular vibrational modes of a biological sample. This method thus provides molecular specificity, without staining the sample. However, CARS signal is hampered by a "non-resonant background" which reduces the contrast. Recently, Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy has been proposed as an alternative to CARS microscopy because it is a background free method. In this thesis, we describe the development of a SRS microscope. We evaluate the specificity of CARS and SRS contrasts in a concrete biomedical application, the detection of human melanomas. We present a comprehensive description of the physical phenomena that can lead to artifacts in SRS microscopy. We show that the scattering properties of the sample can lead to artifacts. We propose a technique based on three excitation beams of different color which suppresses these artifacts. In the second part, we focus on CARS microscopy in a wide-field configuration. We implement a technique to remove the non-resonant background. This method is based on wavefront sensing of the anti-Stokes Field by quadriwave lateral sharing interferometry (QWLSI). We demonstrate that the measurement of the intensity and phase of the complex CARS field allows to retrieve the spontaneous Raman scattering spectrum. As a perspective, we propose a technique, still based on wavefront sensing by QWLSI, to achieve quantitative absorption spectroscopy of nano-objects. We illustrate the potential of this technique by performing measurements on arrays of gold nanoparticles and on single nanoparticles.