Etude et réalisation de micro-optiques à signature rétro-réfléchissante pour la localisation et l’identification 3D d’objets mobiles

Contexte

La localisation en temps-réel d’un objet dans une scène tridimensionnelle est une fonction essentielle en robotique industrielle ou en chirurgie naviguée [1]. Les techniques optiques sont adaptées aux environnements contraints, en fournissant une forte résolution spatiale sans générer de pollution électromagnétique vis-à-vis des dispositifs électroniques environnants.

Ainsi, on peut distinguer deux approches en localisation optique : (i) l’imagerie de marqueurs spécifiques positionnés sur l’objet à localiser grâce à des caméras de vision captant la scène sous différents points de vue et (ii) la triangulation/latération, qui exploite les rayons réfléchis par l’objet à partir d’un balayage laser de la scène. Pour cette méthode, le composant-clé est le rétroréflecteur optique (RRO), qui renvoie le rayon réfléchi dans la même direction que le rayon incident, contrairement à un miroir plan. Technologiquement, on peut construire un RRO en assemblant trois miroirs orthogonaux deux à deux ou en taillant un coin-cube (CCR) dans un matériau diélectrique, opérant une -triple- réflexion totale interne.

Ce type de composant est utilisé pour optimiser la réflexion lumineuse des panneaux routiers ou des bandes réfléchissantes. Si la localisation laser a été démontrée avec des RRO de taille centimétrique [2,3], le passage à des composants de taille sub-millimétrique (micro-RRO) pose ici un double problème : (i) celui du choix d’une méthode adaptée de fabrication du composant et (ii) la dégradation de ses propriétés de rétro-réflexion, en raison de la diffraction de la lumière [4] qui brouille la sélectivité angulaire du RRO.

Objectifs de la thèse

Le rôle du/de la candidat.e sélectionné.e consistera principalement en :

• Modélisation et simulation de la fonction de transfert spatiale d’un micro-RRO en prenant en compte les effets de diffraction et de polarisation de la lumière (outils de type ZEMAX ouLIGHTTRANS). Etude des solutions incorporant des éléments micro-optiques (hologrammes numériques, métasurfaces…) pour corriger le faisceau diffracté par le micro-RRO.
• Détermination du cahier des charges de l’implantation de RRO en tant que micromarqueurs optiques utilisés dans une scène chirurgicale : taille et le nombre des RRO, stérilisation, RRO réutilisables, consommables ou biodégradables, contraintes de biocompatibilté des RRO positionnés sur les prothèses et articulations ?
• Etude de la signature et de la phase d’identification des micro-RRO au sein d’une « flotte » de marqueurs (e.g. intégration d’une signature diffractive et/ou d’un filtre sélectif en longueurs d’ondes). Des composants fabriqués conjointement à UTC et IMT Atlantique selon deux technologies de nano-gravure complémentaires seront caractérisés expérimentalement.

Références

[1] SM. Shah,  ‘‘25 years of computer-navigated total knee arthroplasty’’ Arthroplasty. 3(1) (2021)

[2] V. Milanovic and A. Kasturi, "Real-Time 3D Tracking", Wiley-VCH, Optik & Photonik, pp. 55-59, vol. 4 (2013).

[3] S. Malak et al “Optical Localization and Tracking Method of a Mobile Micro-Conveyor Over a Smart Surface,” IEEE Sensors Journal, vol. 21(8), pp. 10618-10627. (2021).

[4] T. W. Murphy Jr and S. D. Goodrow, "Polarization and far-field diffraction patterns of total internal reflection corner cubes", Appl. Optics, vol. 52, n° 2, pp 117-126  (2013)

[5] B. Kress and M. Pace, « Holographic optics in planar optical systems for next generation small form factor mixed reality headsets », Journal of Advanced Manufacturing, vol. 3, n° 4 (2022)

IMT Atlantique, grande école d'ingénieurs généralistes, a pour ambition de conjuguer le numérique, l’énergie et l’environnement pour transformer la société et l’industrie par la formation, la recherche et l’innovation.
L’établissement qui est présent sur trois campus (Brest, Nantes et Rennes) appartient à l'Institut Mines-Télécom et dépend du ministère l’Économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique.
Reconnue internationalement pour la qualité de sa recherche, les scientifiques d’IMT Atlantique accompagnent environ 300 doctorants. La thèse proposée s’inscrit dans les activités de recherche du département Optique de l’équipe ASMP du laboratoire Lab-STICC (UMR CNR2 6285). Les activités scientifiques de ce département relèvent de l’optique et la photonique pour le traitement de l’information, la vision et les capteurs intelligents.

• Formation en optique/photonique niveau Master 2 ou troisième année d’Ecole d’ingénieur. Des profils en physique ou sciences de l’ingénieur sont également envisageables.
•  Connaissances indispensables : bonne maîtrise de l’optique/photonique, mais aussi de la physique en général, ainsi qu’une bonne connaissance des langages de programmation pour le calcul scientifique (Python en particulier).
•  Les candidats ayant un intérêt marqué pour la recherche expérimentale (expériences d'optique, simulation physique, technologie en salle blanche), faisant preuve de créativité et de ténacité, sont particulièrement recherchés.
• En raison de l'environnement de travail multiculturel, la maîtrise de l'anglais est requise (écrit et oral, niveau B2) et une bonne connaissance du français est souhaitable.