Optique de Fourier
Théorie métaxiale et fractionnaire
Pierre Pellat-Finet
Springer
Avant-propos
vii
Table des matières
xi
Plan de l'ouvrage et guide de lecture
xxiii
Symboles et notations
xxvii
Introduction
1
Partie I. Diffraction monochromatique
1. Le principe de Huygens-Fresnel
11
1.1 Diffraction-propagation11
1.2 Formulation intuitive du principe de Huygens-Fresnel13
1.3 Éléments pour une théorie scalaire16
1.3.1 Ondes localement planes16
1.3.2 Éclairement, intensité vibratoire18
1.3.3 Spectre électromagnétique et domaine optique19
1.4 Représentation de l'amplitude du champ20
2. Fréquence spatiale et spectre angulaire
21
2.1 Fréquence spatiale21
2.1.1 La notion de fréquence spatiale21
2.1.2 Association des fréquences spatiales et des ondes planes24
2.1.3 Vecteur fréquence angulaire25
2.1.4 Obtention de l'onde plane associée à une fréquence spatiale
donnée27
2.2 Spectre angulaire28
2.2.1 La notion de spectre angulaire28
2.2.2 Propagation du spectre angulaire30
2.2.3 Fréquence de coupure. Ondes évanescentes32
2.3 Spectre angulaire et diffraction35
2.3.1 La diffraction comme filtre linéaire35
2.3.2 Dispersion par diffraction-propagation36
2.3.3 Diffraction par un écran plan37
2.4 Exercices38
3. Diffraction métaxiale
41
3.1 Émetteurs et récepteurs dans l'approximation métaxiale41
3.1.1 Coordonnées sur un émetteur ou un récepteur sphériques41
3.1.2 Approximation métaxiale42
3.2 Diffraction de Fraunhofer44
3.2.1 Transparence de courbure44
3.2.2 Diffraction de Fraunhofer et transformation de Fourier45
3.3 Transfert général. Diffraction de Fresnel51
3.3.1 Transfert du champ d'un émetteur sphérique quelconque
à un récepteur sphérique quelconque51
3.3.2 Diffraction de Fresnel au sens strict53
3.3.3 Diffraction de Fresnel ou diffraction de Fraunhofer ?54
3.4 Émetteur sphérique équivalent55
3.4.1 Source ponctuelle et homogénéité des distributions de
Dirac55
3.4.2 Trace d'une onde sphérique sur un plan57
3.4.3 Émetteur sphérique équivalent à un objet plan éclairé
par une onde sphérique58
3.5 Composition des opérateurs de transfert du champ59
3.6 Complément : diffraction et filtrage linéaire62
3.6.1 Représentation spatiale62
3.6.2 Représentation fréquentielle63
3.6.3 Description fréquentielle d'une transparence de courbure64
3.6.4 Transfert général65
3.6.5 Trilogie de la diffraction de Fresnel66
3.7 Exercices66
4. Imagerie cohérente
69
4.1 Le dioptre69
4.1.1 Formule de conjugaison69
4.1.2 Image d'une calotte sphérique tangente au dioptre71
4.1.3 Image d'une calotte sphérique centrée sur le dioptre73
4.1.4 Image d'une calotte sphérique quelconque74
4.1.5 Invariants du dioptre76
4.1.6 Loi du grandissement des rayons pour le dioptre77
4.2 Systèmes centrés77
4.2.1 Image cohérente du champ sur un émetteur sphérique77
4.2.2 Image cohérente d'un émetteur plan à travers un système
à foyers78
4.2.3 Loi du grandissement des rayons79
4.2.4 Application : obtention sur un plan du champ qui existe
sur une calotte sphérique81
4.3 Transfert général à travers un système centré82
4.3.1 Décomposition du transfert en une imagerie et un phénomène
de diffraction-propagation82
4.3.2 Mise en oeuvre pratique83
4.4 Conclusion : image paraxiale, image métaxiale86
4.5 Complément : formules de conjugaison et points cardinaux
d'un système centré87
4.5.1 Un autre point de vue sur le dioptre87
4.5.2 Systèmes à foyers et systèmes afocaux89
4.5.3 Système à foyers : formule de conjugaison avec origines
en deux points conjugués quelconques91
4.5.4 Système à foyers : formule de conjugaison avec origines
aux points principaux (Descartes)92
4.5.5 Foyers93
4.5.6 Lentille mince95
4.6 Exercices96
5. Figures de diffraction
99
5.1 Obtention du spectre d'une amplitude lumineuse99
5.1.1 Modulation spatiale de la lumière99
5.1.2 Montages pratiques101
5.1.3 Observation sur un écran105
5.2 Exemples de diffraction par une ouverture106
5.2.1 Fente illimitée106
5.2.2 Ouverture rectangulaire108
5.2.3 Trous d'Young109
5.2.4 Ouverture circulaire111
5.3 Diffraction par un bord d'écran rectiligne112
5.3.1 Diffraction de Fraunhofer112
5.3.2 Diffraction de Fresnel118
5.4 Spectres de réseaux de diffraction120
5.4.1 Réseaux d'amplitude121
5.4.2 Réseau de phase129
5.4.3 Réseaux de biréfringence130
5.5 Rendement de diffraction d'un réseau134
5.5.1 Définition134
5.5.2 Réseau d'amplitude sinusoïdal134
5.5.3 Réseau d'amplitude en créneaux135
5.5.4 Réseau de phase à deux niveaux136
5.6 Rayonnement des antennes137
5.6.1 Diffraction à l'infini137
5.6.2 Lien avec la théorie des antennes140
5.6.3 Antenne à ouverture rectangulaire142
5.6.4 Antenne à balayage143
5.6.5 Antennes filaires144
5.6.6 Réseau d'antennes filaires146
5.7 Apodisation149
5.7.1 Apodisation par atténuation aux bords de la pupille149
5.7.2 Apodisation d'un réseau par une fenêtre transparente151
5.7.3 Réseau d'antennes pondéré153
5.8 Exercices154
6. Diffraction et transformation de Fourier fractionnaire
159
6.1 Diffraction de Fresnel et transformation de Fourier fractionnaire159
6.1.1 Analogie entre la diffraction de Fresnel et la transformation
de Fourier fractionnaire159
6.1.2 Expression de la diffraction de Fresnel par une transformation
de Fourier fractionnaire160
6.1.3 Observation du champ sur un récepteur donné163
6.2 Transfert réciproque et transfert d'ordre réel167
6.2.1 Transfert réciproque167
6.2.2 Caractérisation géométrique d'un transfert d'ordre réel169
6.3 Principe de Huygens-Fresnel et composition des transformations
de Fourier fractionnaires170
6.3.1 Première approche170
6.3.2 Deuxième méthode173
6.4 Complément : diffraction et transformations de Fourier fractionnaires
d'ordre complexe176
6.4.1 Transfert du champ176
6.4.2 Analyse graphique181
6.5 Exercices182
7. La méthode de la transformation de Fourier fractionnaire
183
7.1 Le dioptre183
7.1.1 Transfert général183
7.1.2 Formules paraxiales186
7.1.3 Formules métaxiales187
7.1.4 Conclusion188
7.2 Fondements de la théorie des résonateurs optiques188
7.2.1 Convention pour les miroirs189
7.2.2 Longueur d'un résonateur190
7.2.3 Transfert du champ d'un miroir à l'autre191
7.2.4 Modes transversaux195
7.2.5 Modes longitudinaux197
7.2.6 Stabilité d'un résonateur198
7.2.7 Col d'un résonateur199
7.3 Faisceaux gaussiens203
7.3.1 Notion de faisceau gaussien203
7.3.2 Faisceaux gaussiens dans l'espace libre204
7.3.3 Imagerie d'un faisceau gaussien209
7.3.4 Conclusion sur les faisceaux gaussiens213
7.4 Vers l'optique de Fourier fractionnaire213
7.5 Exercices215
8. Formation des images
217
8.1 Imagerie géométrique217
8.1.1 Les limites de l'imagerie géométrique217
8.1.2 Image géométrique, image physique218
8.2 Théorie standard en lumière cohérente219
8.2.1 Pupilles219
8.2.2 Image cohérente d'un émetteur centré sur la pupille
d'entrée220
8.2.3 Image cohérente d'un émetteur non centré sur la pupille
d'entrée224
8.2.4 Fonction de transfert en lumière cohérente225
8.2.5 Transmission des fréquences spatiales226
8.2.6 Approximation d'un objet éloigné229
8.3 Formation des images en lumière incohérente230
8.3.1 Réponse percussionnelle spatiale incohérente230
8.3.2 Comparaison entre éclairage cohérent et éclairage incohérent231
8.3.3 Spectre quadratique234
8.3.4 Fonction de transfert en lumière incohérente234
8.3.5 Exemple d'une pupille circulaire235
8.4 Caractérisation d'un instrument d'optique238
8.4.1 La résolution d'un instrument d'optique238
8.4.2 Résolution et figure de diffraction de la pupille240
8.4.3 Application à la photographie240
8.5 Analyse de la formation des images par la méthode de la transformation
de Fourier fractionnaire241
8.5.1 Produit de convolution fractionnaire241
8.5.2 Imagerie en lumière cohérente242
8.5.3 Imagerie en lumière incohérente245
8.6 Exercices246
Partie II. Ondes polychromatiques
9. Diffraction polychromatique
251
9.1 La notion de signal et ses représentations251
9.2 Représentations d'un signal optique252
9.2.1 Représentation spatio-temporelle252
9.2.2 Représentation mixte. Composante spectrale252
9.2.3 Représentation fréquence totale253
9.2.4 Représentation fréquentio-temporelle253
9.2.5 Losange de Fourier254
9.3 Opérateur linéaire de transfert du champ254
9.3.1 Généralité du modèle de transfert du champ254
9.3.2 Le transfert du champ en représentation mixte. Gain
complexe255
9.3.3 Le transfert du champ en représentation spatio-temporelle.
Réponse percussionnelle256
9.4 Diffraction des ondes polychromatiques257
9.4.1 Forme explicite de la réponse percussionnelle spatio-temporelle257
9.4.2 Justification de l'approximation d'une vitesse de phase
constante259
9.4.3 Diffraction de Fraunhofer d'une onde polychromatique261
9.4.4 Chromatisme de diffraction262
9.4.5 Réponse percussionnelle et fonction de transfert temporelles
d'une pupille262
9.5 Diffraction et imagerie des ondes de spectre étroit266
9.5.1 Ondes de spectre étroit266
9.5.2 Diffraction de Fresnel des ondes de spectre étroit267
9.5.3 Diffraction de Fraunhofer des ondes de spectre étroit270
9.5.4 Transparence de courbure en spectre étroit270
9.5.5 Imagerie d'un émetteur à spectre étroit271
9.5.6 Conclusion pour les ondes de spectre étroit272
9.6 Exercices272
10. La cohérence et son transfert
273
10.1 Considérations élémentaires sur la cohérence en optique273
10.1.1 Échelles de temps et cohérence273
10.1.2 Superposition de deux vibrations275
10.1.3 Trains d'ondes et cohérence277
10.1.4 Cohérence temporelle et largeur spectrale281
10.1.5 Cohérence spatiale284
10.1.6 Description de la cohérence285
10.2 La cohérence du champ électrique285
10.2.1 Notations. Moyenne temporelle285
10.2.2 Premier ordre286
10.2.3 Deuxième ordre. Cohérence286
10.2.4 Représentation mixte. Densités spectrales287
10.2.5 La notion de cohérence abstraite et ses représentations288
10.2.6 Cohérence spatiale, cohérence temporelle289
10.3 Superposition de deux champs. Interférences290
10.3.1 Formule des interférences. Degré de cohérence temporelle290
10.3.2 Mesure de la cohérence temporelle291
10.4 Transfert de la cohérence293
10.4.1 Filtrage de la cohérence293
10.4.2 Transfert de la cohérence par diffraction295
10.4.3 Exemple : récepteur étendu, spatialement cohérent à
spectre large297
10.4.4 Équation d'onde de la cohérence298
10.5 Ondes à spectre étroit300
10.5.1 Cohérence sur la sphère de Fourier300
10.5.2 Transfert de la cohérence par transparence de courbure302
10.5.3 Transfert de la cohérence par diffraction de Fresnel302
10.5.4 Transfert de la cohérence par imagerie303
10.5.5 Transfert de la cohérence par imagerie avec des ouvertures
limitées305
10.6 Mesure de la cohérence spatiale307
10.6.1 Le degré de cohérence307
10.6.2 Formule des interférences308
10.6.3 Contraste des franges310
10.7 Émetteur spatialement incohérent310
10.7.1 Transfert de la cohérence sur une sphère cardinale311
10.7.2 Le théorème de Van Cittert-Zernike311
10.7.3 Une application : l'interféromètre stellaire de Michelson314
10.7.4 Une explication intuitive du théorème Van Cittert-Zernike.
Lien avec la diffraction318
10.8 Interférométrie d'intensité321
10.8.1 Intensité vibratoire instantanée321
10.8.2 Source thermique322
10.8.3 Application à la mesure du degré de cohérence326
10.9 Exercices327
11. Dispersion de groupe
329
11.1 Paquet d'ondes, vitesse de groupe et dispersion330
11.1.1 Définitions330
11.1.2 Dispersion de groupe338
11.1.3 Dispersion normale et dispersion anormale338
11.1.4 Choix des paramètres pour décrire la dispersion de
groupe340
11.2 Cadre général de l'étude342
11.2.1 Modèle pour l'étude de la dispersion de groupe342
11.2.2 Dispersion et diffraction en spectre étroit342
11.2.3 Fibre optique344
11.2.4 Ligne de transmission347
11.3 Dispersion de groupe d'ordre 2348
11.3.1 Modulation de fréquence linéaire349
11.3.2 Propagation de l'amplitude complexe349
11.3.3 Enveloppe complexe dans le repère de groupe351
11.3.4 L'enveloppe complexe modulée linéairement352
11.3.5 Propagation de l'enveloppe complexe modulée354
11.3.6 Représentation de la propagation par une transformation
de Fourier fractionnaire355
11.3.7 Cas particulier : transformation de Fourier357
11.4 Exercices358
12. Paquets d'ondes gaussiens. Lentilles temporelles
359
12.1 Paquets d'ondes gaussiens359
12.1.1 Représentation d'un paquet d'ondes gaussien359
12.1.2 Propagation d'un paquet d'ondes gaussien dans une
ligne de transmission dispersive361
12.1.3 Col temporel361
12.1.4 Correspondances entre paquet d'ondes et faisceau gaussien363
12.1.5 Élargissement temporel d'un paquet d'ondes gaussien364
12.2 Lentilles temporelles365
12.2.1 Centre de courbure temporel366
12.2.2 Lentille temporelle et modulation de fréquence366
12.2.3 Formule de conjugaison d'une lentille temporelle367
12.2.4 Réalisation pratique d'une lentille temporelle367
12.3 Transport d'un paquet d'ondes gaussien368
12.3.1 Transport d'un faisceau gaussien368
12.3.2 Transport d'un paquet d'ondes gaussien par des lentilles
temporelles369
12.3.3 Application à la compensation de la dispersion en télécommunications
optiques369
12.4 Exercices370
Partie III. Exemples d'applications et perspectives
13. Considérations instrumentales
375
13.1 Observation dans le plan focal d'un téléobjectif du spectre d'un
objet transparent375
13.1.1 Analyse du problème et solution375
13.1.2 Passage du champ sur la sphère de Fourier au champ
dans le plan focal377
13.1.3 Augmentation de la taille du spectre379
13.2 Spectre d'un objet transparent éclairé par un faisceau divergent379
13.2.1 Analyse du problème et solution379
13.2.2 Un autre point de vue382
13.2.3 Passage du champ sur une sphère au champ sur un plan382
13.2.4 Défaut de mise au point de l'image d'un objet cohérent383
13.3 Calculs de courbures de phase384
13.3.1 Courbure de l'image cohérente d'un émetteur sphérique384
13.3.2 Courbure de la sphère de Fourier image385
13.3.3 Phase quadratique dans le plan focal d'un objectif386
13.3.4 Localisation du centre de courbure d'une image386
13.4 Théorie du sténopé388
13.4.1 Chambre noire388
13.4.2 Image géométrique et image physique389
13.4.3 Image formée en éclairage incohérent391
13.5 Spectrométrie instrumentale : spectromètres à réseaux393
13.5.1 Réseau de diffraction393
13.5.2 Formule des réseaux395
13.5.3 Résolution intrinsèque396
13.5.4 L'intervalle spectral libre398
13.5.5 Influence de la largeur des fentes399
13.5.6 Raies spectrales fantômes402
13.6 Exercices404
14. Propriétés des résonateurs optiques et des faisceaux gaussiens
409
14.1 Résonateurs optiques409
14.1.1 Analyse de la stabilité d'un résonateur optique409
14.1.2 Imagerie et stabilité d'un résonateur410
14.1.3 Distance de Rayleigh. Détermination du col du résonateur412
14.2 Faisceaux gaussiens413
14.3 Résonateurs instables414
14.3.1 Trace d'une onde sphérique sur un miroir414
14.3.2 Ondes sphériques résonantes dans un résonateur instable415
14.4 Conclusion418
14.5 Exercices419
15. Holographie
421
15.1 Principes de l'holographie421
15.1.1 Restitution d'une source lumineuse ponctuelle421
15.1.2 Résolution de l'émulsion et champ de vision424
15.1.3 Dimensions de l'hologramme et résolution de l'objet424
15.1.4 Restitution d'un objet étendu425
15.2 Différents types d'hologrammes428
15.2.1 Hologramme de Gabor428
15.2.2 Hologramme de Leith et Upatnieks429
15.2.3 Hologramme de Fourier429
15.3 Applications de l'holographie430
15.4 Modulation de la lumière et supports holographiques431
15.4.1 Émulsion photographique431
15.4.2 Émulsion blanchie. Hologramme de phase436
15.4.3 Effet de la non-linéarité de l'émulsion438
15.4.4 Supports pour l'holographie en temps réel439
15.4.5 Modulateurs de lumière spatiaux441
15.5 Exercices443
16. Traitement du signal optique
445
16.1 Généralités sur le traitement du signal optique445
16.2 Filtrage optique et corrélation446
16.2.1 Principe du filtrage optique446
16.2.2 Filtre de VanderLugt448
16.2.3 Application au filtrage adapté et à la corrélation450
16.2.4 Corrélateur en temps réel451
16.2.5 Corrélateur conjugué453
16.2.6 Cohérence du signal filtré455
16.3 Analyse spectrale acousto-optique456
16.3.1 Modulation acousto-optique456
16.3.2 Onde acoustique modulée avec porteuse458
16.3.3 Analyse spectrale temporelle459
16.4 Exercices460
17. Perspectives
463
17.1 Développements en optique métaxiale et optique de Fourier
fractionnaire463
17.1.1 Aberrations géométriques463
17.1.2 Images quantiques463
17.1.3 Spectre angulaire sphérique463
17.2 Traitement du signal fractionnaire pour l'optique464
17.2.1 Holographie numérique, composants diffractants calculés464
17.2.2 Corrélation fractionnaire464
Partie IV. Appendices
A. Les distributions
467
A.1 Définition, exemples et propriétés467
A.1.1 Définition467
A.1.2 Exemples de distributions467
A.1.3 La distribution de Dirac comme limite de suites de fonctions468
A.1.4 Propriétés des distributions469
A.1.5 Produit tensoriel de distributions. Distributions à plusieurs
variables469
A.1.6 Produit de convolution469
A.1.7 Sous-espaces de distributions470
A.2 Interprétation des distributions en mesures physiques471
A.2.1 Champ représenté par une distribution singulière471
A.2.2 Une solution471
A.3 Distributions et sytèmes linéaires472
A.3.1 Le problème à résoudre472
A.3.2 Produit de convolution de Volterra473
A.3.3 Réponse d'un système linéaire à une excitation quelconque473
B. La transformation de Fourier
475
B.1 Définition475
B.1.1 Transformée de Fourier d'une fonction sommable475
B.1.2 Transformée de Fourier d'une fonction de carré sommable477
B.1.3 Transformée de Fourier d'une distribution tempérée478
B.2 Propriétés de la transformation de Fourier480
B.3 Transformation de Hankel482
B.4 Transformées de Fourier de quelques fonctions et distributions483
B.4.1 Transformées de Fourier en dimension 1483
B.4.2 Transformées de Fourier en dimension 2484
C. La transformation de Fourier fractionnaire
487
C.1 Première définition487
C.1.1 Fonctions propres de la transformation de Fourier487
C.1.2 Définition de la transformation de Fourier fractionnaire488
C.2 Deuxième définition : forme intégrale489
C.3 Principales propriétés489
C.4 Transformées de Fourier fractionnaires de quelques fonctions
et distributions490
C.5 Transformation de Fourier fractionnaire et oscillateur harmonique491
C.6 Commentaires sur l'emploi de la transformation de Fourier
fractionnaire en optique493
D. Champs analytiques et équation de Helmholtz
495
D.1 L'équation de Helmholtz495
D.2 La notion de champ analytique495
D.3 L'équation des ondes harmonique497
D.3.1 L'équation des ondes pour les champs analytiques497
D.3.2 L'équation des ondes pour les composantes spectrales498
D.3.3 Conséquences pratiques498
E. Grandeurs et unités radiométriques
499
E.1 Grandeurs et unités radiométriques499
E.2 Unités photométriques501
E.3 Lexique bilingue502
F. Vecteurs aléatoires gaussiens
503
F.1 Variables et vecteurs aléatoires gaussiens503
F.1.1 Variable aléatoire503
F.1.2 Variable aléatoire gaussienne à une dimension504
F.1.3 Vecteur aléatoire gaussien. Matrice de covariance505
F.1.4 Fonction caractéristique d'un vecteur aléatoire gaussien505
F.2 Théorèmes des moments pour un vecteur aléatoire gaussien505
F.2.1 Multi-indice. Indice développé. Multi-paire505
F.2.2 Composantes gaussiennes indépendantes507
F.2.3 Cas général507
F.3 Variables aléatoires gaussiennes à valeurs complexes508
F.3.1 Variable aléatoire complexe508
F.3.2 Vecteur aléatoire gaussien complexe509
F.3.3 Vecteur aléatoire gaussien complexe circulaire509
F.4 Le théorème central limit510
G. Fonctions aléatoires
511
G.1 Fonctions aléatoires511
G.1.1 Définition511
G.1.2 Moments d'une fonction aléatoire temporelle512
G.1.3 Stationnarité512
G.1.4 Moyenne temporelle, ergodicité513
G.1.5 Fonction aléatoire stationnaire et ergodique514
G.2 Densités spectrales. Théorème de Wiener-Khintchine515
G.2.1 Considérations sur l'analyse spectrale des fonctions aléatoires515
G.2.2 Densité spectrale de puissance d'une fonction aléatoire515
G.2.3 Le théorème de Wiener-Khintchine pour les fonctions
aléatoires516
G.2.4 Densités spectrales d'interaction518
G.2.5 Densité spectrale d'interaction et composante spectrale520
H. Propriétés des cohérences
521
H.1 Inégalité de Cauchy-Schwarz521
H.2 Propriétés de la cohérence mutuelle et de la cohérence propre521
I. Formule de Sellmeier
523
Références
525
Index
539