Thèse Caractérisation Optique et Perceptuelle des Vortex Optiques Générés par Lentilles Freeform Vers une Évaluation de la Qualité Visuelle Humaine H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry Direction de la thèse : Yvan SORTAIS ORCID 0000000298529783 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Les lentilles à dioptre spiralé, développées par Galinier et al. (Optica, 2024), exploitent la spiralisation freeform d'un dioptre réfractif pour générer des vortex optiques et produire un comportement multifocal (2 à 4 foyers) intrinsèquement indépendant du diamètre pupillaire. Contrairement aux optiques multifocales conventionnelles (anneaux diffractifs ou réfractifs), ces lentilles maintiennent leurs foyers stables quelle que soit l'ouverture pupillaire (3 à 6 mm), éliminant la principale limitation des implants intraoculaires (IOL) actuels. Les PSF (Point Spread Functions) présentent une singularité de phase centrale caractéristique (charge topologique N), dont l'impact sur la perception visuelle humaine reste inexploré. Les métriques optiques classiques (MTF, rapport de Strehl) ne suffisent pas à prédire la qualité visuelle subjective en présence de telles singularités de phase.

Cette thèse vise à établir les bases scientifiques d'une évaluation rigoureuse de l'effet de ces vortex optiques sur la vision humaine, selon trois axes complémentaires.

Axe 1 - Modélisation et simulation de la focalisation rétinienne. Un modèle de propagation physio-optique sera développé, intégrant les paramètres géométriques de la lentille spiralée, les aberrations oculaires (polynômes de Zernike) et les variations pupillaires, pour une propagation de 24 mm jusqu'à la rétine. Le calcul des PSF rétiniennes 3D reposera sur des algorithmes de Fresnel multi-pas (n-steps), garantissant un échantillonnage correct des fronts d'onde à singularité de phase. Les métriques retenues incluent le Visual Strehl ratio (VSX), la MTF spatiale (cpd), la charge topologique et l'énergie encerclée.

Axe 2 - Caractérisation optique expérimentale sur banc et oeil artificiel. Des prototypes de lentilles spiralées seront caractérisés sur banc (mesures PSF 3D en champ). Un modèle d'oeil artificiel paramétrique (Gullstrand : cornée R = 7,8 mm, cristallin, vitré n = 1,336), réalisé par impression 3D ou voie commerciale, reproduira les conditions physiologiques de propagation intra-oculaire. Les PSF rétiniennes seront mesurées en fonction de l'ouverture pupillaire, de l'accommodation simulée et de la longueur d'onde, pour valider les prédictions théoriques et établir les courbes de compromis multifocalité/contraste en fonction des paramètres N et .

Axe 3 - Évaluation perceptuelle non-clinique en réalité virtuelle. Des protocoles psychophysiques seront conçus avec des casques VR à oculométrie et des lentilles de contact spiralées portées par des volontaires consentants (équipe interne). Les mesures incluront : acuité visuelle through-focus (3 distances), sensibilité au contraste (3-12 cpd), temps de transition accommodative (stimuli 20-500 cm) et évaluation subjective (questionnaire VF-14, halos, fatigue accommodative). Les résultats seront comparés entre lentilles spiralées (différents N, ), multifocales conventionnelles et monofocales.

Les contributions attendues sont : un premier modèle physio-optique intégrant vortex optiques et perception rétinienne humaine (calcul du VSX rétinien pour lentilles spiralées) ; une caractérisation quantitative des compromis N/ pour les applications ophtalmiques (presbytie, IOL post-cataracte) et réalité mixte (EDOF) ; une preuve de concept pré-clinique de la faisabilité perceptuelle et des protocoles standardisés pour la métrologie des optiques singulières.
Les lentilles à dioptre spiralé, récemment développées par Galinier et al. (2024) [1], exploitent la spiralisation freeform d'un dioptre pour générer des vortex optiques et produire un comportement multifocal amélioré. Contrairement aux optiques multifocales conventionnelles (anneaux diffractifs ou réfractifs), ces lentilles présentent des zones focales multiples (typiquement 2-4 foyers) indépendantes de l'ouverture pupillaire, avec des points de singularité de phase (topological charge) au centre des PSF (Point Spread Functions). Ce design innovant trouve des applications potentielles en ophtalmologie (correction presbytie, implants intraoculaires) [2,3] et en réalité mixte (systèmes de projection à profondeur de champ étendue, EDOF) [4].
Plus généralement, si les propriétés optiques de ces lentilles ont été validées sur banc (mesures PSF 3D, simulations Fresnel) [1], l'impact des vortex optiques sur la perception visuelle humaine reste largement inexploré. Les métriques optiques classiques (MTF, Strehl ratio) ne suffisent pas à prédire la qualité visuelle subjective [5,6], particulièrement en présence d'aberrations complexes ou de structures de phase singulières. Des questions fondamentales subsistent : comment le système visuel interprète-t-il des PSF multifocales avec vortex centraux? Quels compromis existent entre profondeur de champ, contraste et confort perceptuel (halos, fatigue accommodative)? Ces interrogations nécessitent une approche combinant optique physique, modélisation physiologique et évaluation psychophysique. Cette thèse vise à établir les bases scientifiques d'une évaluation rigoureuse de l'effet des vortex optiques (générés par lentilles spiralées) sur la vision humaine, en combinant trois axes complémentaires :
1. Modélisation et simulation de la focalisation rétinienne
Développer un modèle de propagation des vortex optiques jusqu'à la rétine (24 mm) intégrant les paramètres géométriques de la lentille, les aberrations oculaires (Zernike), et les variations pupillaires (3-6 mm). Calcul des PSF rétiniennes 3D via algorithmes n-steps Fresnel[7] et quantification par métriques avancées : Visual Strehl ratio (VSX) [5,8], MTF spatial (cpd), topological charge, et énergie encerclée.
2. Caractérisation optique expérimentale sur banc et oeil artificiel
- Exploiter le banc optique existant (mesure PSF 3D, champ) pour caractériser des prototypes de lentilles spiralées.
- Développer un modèle d'oeil artificiel (Gullstrand paramétrique, impression 3D ou commercial) reproduisant les propriétés réfractives physiologiques (cornée R=7.8 mm, cristallin, vitré n=1.336).
- Mesurer l'intensité et la structure des PSF rétiniennes simulées en fonction de l'ouverture et de l'accommodation et la longueur d'onde, et valider les prédictions théoriques.
3. Évaluation perceptuelle non-clinique en réalité virtuelle
- Concevoir des protocoles d'évaluation psychophysique utilisant les casques VR avec oculométrie (suivi accommodation/vergence, eye-tracking) et lentilles de contact spiralées portées par volontaires consentants (équipe interne, non-essai clinique).
- Mesurer : (i) performances visuelles multi-distances (acuité through-focus, sensibilité contraste à 3-121 cpd) [9,10], (ii) temps de transition accommodative (stimuli 20-500 cm), (iii) évaluation subjective de la qualité visuelle (questionnaires validés VF-14, distorsions perçues, halos, fatigue)[11,12]. Comparer les lentilles spiralées (différents N, ) à des lentilles multifocales conventionnelles et monofocales.