Optical imaging systems with freeform surfaces : optimization algorithms study and freeform surfaces metrology

La thèse a pour sujet la simulation, la conception automatique et la métrologie de systèmes optiques imageurs freeform. A partir d'un exemple de projet de conception de télescope spatial non-obscuré freeform, nous identifions deux difficultés induites ou exacerbées par l'introduction de freeform: premièrement la capacité à concevoir rapidement par ordinateur les combinaisons optiques et secondement la capacité à contrôler la forme des optiques freeform. Les aspects de simulation de performance par tracé de rayon séquentiel sont revisités en détail et ont permis des études sur les algorithmes de recherche appliqués à la conception optique freeform. Une méthodologie rigoureuse provenant des mathématiques appliquées est utilisée pour comparer la capacité de différents algorithmes de recherche à produire des solutions d'un haut niveau de performance sur des problèmes de conception optique, conventionnels et freeform. Dans un second volet des travaux, l'intérêt de la déflectométrie à mesure de phase a été mis en valeur sur un échantillon de miroir freeform présentant des caractéristiques le rendant difficilement mesurable pour les méthodes de métrologie classiques comme l'interférométrie. La grande variété des types de mesures et des types d'échantillon accessibles à la déflectométrie est démontrée. Une évaluation quantitative de l'erreur de mesure de forme de l'échantillon freeform par déflectométrie est effectuée.This research work treats the subjects of simulation, automatic design and metrology of freeform imaging optical systems. Starting from an example of freeform unobscured space telescope design, we identified two challenges that are implied or amplified by the introduction of freeform optics: firstly the efficiency of computer-assisted optical design, secondly the possibility of testing the shape of freeform optics. Aspects of performance simulation through sequential raytracing are thoroughly revisited and led to studies on search algorithms applied to freeform optical design. A rigorous methodology from the applied mathematics research field is used to compare the efficiency of various search algorithms in producing high performance solutions to conventional or freeform optical design problems. In a second part, the opportunities presented by phase-measuring deflectometry are highlighted on a freeform mirror sample with characteristics that make it hardly measurable with classic metrology means such as interferometry. The great variety of measurement types and samples accessible to deflectometry is demonstrated. A quantitative analysis of the shape measurement error on the freeform sample is performed