5.3 Optimisation du contraste par conjugaison de phase
5.3.3 Évaluation des performances attendues par simulations
Bien que l’application du processus de PCL à SPHERE ait incontestablement permis d’amé-liorer le contraste sur le détecteur IRDIS, il n’en demeure pas moins que le gain mesuré est nota-blement moins important que celui promis par la simulation numérique de PCL présentée dans la section4.2.5 du chapitre4. Aussi les performances obtenues sur l’instrument SPHERE ont-elles été analysées dans le but d’identifier la source de la limitation du gain en contraste.
Cette analyse a été réalisée en simulant aussi précisément que possible le processus de PCL mis en œuvre sur SPHERE. Pour ce faire, la simulation d’images coronographiques ifoc
c et idiv c a été réalisée en utilisant les coronographes (ALC) et Lyot Stop utilisés sur SPHERE (voir section5.2.1
et figure 5.3) ; par ailleurs, les aberrations φ0
u utilisées pour calculer les images au début de la simulation (figure5.8, gauche) sont celles estimées à partir des images acquises sur IRDIS avant compensation (itération 0 de la PCL de la section 5.3.2). Enfin, la transmission inhomogène de la pupille (aberrations d’amplitude) a été prise en compte en utilisant une carte de transmission pupillaire extraite d’une image de pupille réalisée avec IRDIS (figure5.8, droite).
Le processus de compensation simulé, qui modélise au plus près celui mis en œuvre sur SPHERE, est le suivant : à l’itération j, en présence d’aberrations φj
uen amont du coronographe : 1. Simulation de deux images coronographiques ifoc
c et idiv c ; 1. Le 20 mai 2014
0 5 10 15 20 25 30 l/D 10−6 10−5 10−4 10−3 Raw contrast
SIMULATION : before compensation SIMULATION : after compensation SPHERE : before compensation SPHERE : after compensation
FIGURE 5.7 – Compensation des aberrations de SPHERE avec COFFEE : démonstration expéri-mentale du processus de PCL (g = 0,5). En haut, images coronographiques acquises sur IRDIS avant (à gauche) et après (à droite) compensation. En bas, tracé des profils de contrastes moyens calculés à partir de ces deux images (traits tiretés). Les profils de contraste moyens issus d’une simulation complète du processus de PCL (traits pleins), dont la mise en œuvre sera détaillée dans la section suivante, sont également tracés à titre de comparaison.
5.3. OPTIMISATION DU CONTRASTE PAR CONJUGAISON DE PHASE
FIGURE5.8 – Carte de phase (estimée à partir des images coronographiques d’IRDIS, à gauche) et carte de transmission pupillaire (extraite d’une image d’IRDIS, à droite) utilisées pour la simulation de PCL.
2. Estimation des aberrations bφu avec COFFEE à partir de ces deux images ; 3. Calcul des aberrations présentes en amont du coronographe φj+1
u à l’aide de la relation don-née par l’équation (5.3.7).
Remarquez que l’étape 3 de ce processus permet de modéliser finement l’action de la boucle SAXO en prenant en compte les actionneurs morts et esclaves ainsi que la base tronquée de 999 modes de KL utilisée pour le contrôle du HODM. La modélisation fine de l’ensemble du proces-sus de PCL permet ainsi de reproduire avec précision les résultats obtenus sur SPHERE, comme le montre la figure 5.7 sur laquelle les profils de contrastes calculés à partir des images corono-graphiques simulés avant compensation et après 5 itérations de la PCL (figure 5.7, traits pleins) correspondent bien aux profils calculés à partir des images expérimentales (figure 5.7, traits tire-tés).
Afin d’identifier l’origine de la limitation du gain en contraste observé, cette simulation com-plète de PCL a été comparée à deux autres simulations pour lesquelles l’étape de compensation des aberrations (étape 3) a été modifiée. Tout d’abord, afin de quantifier l’impact des performances de SAXO sur l’ensemble du processus, une seconde PCL a été simulée en modifiant l’étape de compensation des aberrations de manière à ce que les aberrations φj+1
u à l’itération j + 1 soient calculées de la manière suivante :
φj+1u =φju− gF0T0φbju, (5.3.9)
où F0 est la matrice d’influence d’un HODM « parfait », sur lequel les 1377 actionneurs peuvent être contrôlés, et T0 son inverse généralisée. Une telle relation permet de simuler le cas d’une boucle SAXO « parfaite », sans actionneurs morts ou esclaves ni troncature de la base de contrôle. Le gain en contraste mesuré à l’issu de cette simulation (à laquelle nous ferons référence sous le nom de boucle « parfaite ») sera donc exclusivement limité par les performances de COFFEE.
Par ailleurs, une troisième simulation de PCL a été réalisée pour permettre de séparer l’impact des actionneurs morts et esclaves de celui de la troncature de la base de contrôle. Cette simulation a été réalisée en calculant les aberrations φj+1
u à l’itération j + 1 comme suit :
d CSAXO Cdead Cperfect
5λ/D 1,9 10−5 7,2 10−6 5,9 10−6
10λ/D 6,2 10−6 1,9 10−6 1,4 10−6
15λ/D 3,8 10−6 1,6 10−6 7,6 10−7
TABLE5.1 – Simulation de PCLs : valeurs du contraste en plan focal obtenues après compensation avec une simulation complète de SAXO (CSAXO), avec une simulation de PCL avec actionneurs morts et esclaves seulement (Cdead) et avec une simulation de PCL parfaite (Cperfect) en différents points du champ.
On simule ainsi un processus de compensation utilisant une base de contrôle non tronquée, limitée uniquement par l’impossibilité de piloter les actionneurs morts et esclaves.
Les trois simulations réalisées ne diffèrent donc que par la loi de commande utilisée pour compenser les aberrations, qui est de complexité croissante :
1. Simulation de PCL parfaite (équation (5.3.9)) : les aberrations estimées par COFFEE sont compensées avec un HODM parfait, possédant 1377 actionneurs contrôlables ;
2. Simulation de PCL avec actionneurs morts (équation (5.3.10)) : les aberrations estimées par COFFEE sont compensées avec un HODM dont tout les actionneurs peuvent être pilotés à l’exception des actionneurs morts et esclaves ;
3. Simulation de PCL complète (équation (5.3.7)) : les aberrations estimées par COFFEE sont compensées en modélisant l’intégralité de la boucle SAXO (présence d’actionnneurs morts et esclaves, et troncature de la base de contrôle de la boucle d’OA).
La comparaison des gains en contraste obtenus à l’issu de ces trois simulations de PCL de com-plexité croissante permettra de déterminer l’origine principale des limitations du gain en contraste obtenu sur l’instrument SPHERE.
Le résultat de ces simulations est présenté sur la figure5.9, où sont tracés les différents profils de contraste moyen obtenus après les trois simulations de PCL décrites ci-dessus. La comparaison de ces différents profils permet de conclure que la limite du gain en contraste sur SPHERE est fixée par les performances de la boucle SAXO, elle-même limitée par la présence des actionneurs morts et esclaves ainsi que par la troncature de la base de contrôle de la boucle, comme en témoigne les valeurs de contraste en différents point du plan focal rassemblées dans le tableau5.1.
En effet, la simulation d’une boucle parfaite permet, après compensation, d’atteindre un ni-veau de contraste (courbe magenta sur la figure5.9) très proche du niveau atteignable en l’absence d’aberrations (courbe noire sur la figure5.9). Il apparaît ainsi que l’estimation de COFFEE ne li-mite en rien le processus de PCL mis en œuvre sur SPHERE dans la mesure où ce dernier permet d’atteindre des performances proches des performances théoriques du coronographe utilisé moyen-nant l’utilisation d’une boucle d’OA idéale. A l’inverse, l’inclusion de la modélisation complète de la boucle SAXO dans la simulation de PCL conduit, après compensation (courbe bleue sur la figure5.9), à un gain en contraste limité, sensiblement plus éloigné des performances théoriques du coronographe (courbe noire sur la figure5.9). Est ainsi mis en évidence la source de la limitation du gain en contraste obtenu à l’issu du processus de PCL utilisé sur SPHERE, qui réside dans la loi de commande utilisée par la boucle SAXO.
5.3. OPTIMISATION DU CONTRASTE PAR CONJUGAISON DE PHASE 0 5 10 15 20 25 30 l/D 10−6 10−5 10−4 10−3 Contrast
SIMULATION : before compensation SIMULATION : after compensation (SAXO) SIMULATION : after compensation (Dead & Slaves act.) SIMULATION : after compensation (perfect) No aberrations
FIGURE 5.9 – Compensation des aberrations sur SPHERE avec COFFEE : simulation de PCL (g = 0,5). Tracé des profils de contraste moyen avant compensation (en rouge), après compensation avec une simulation complète de SAXO (en bleu), après compensation sans troncature de la base de contrôle (en vert) et dans le cas d’une boucle idéale (en magenta). Le profil calculé à partir d’une image coronographique simulée en l’absence d’aberration est également tracé pour comparaison (en noir).
Enfin, remarquez la très nette différence entre les niveaux de contraste atteints en simulant l’ensemble de la boucle SAXO (courbe bleue sur la figure5.9) et atteints sans tronquer la base de contrôle (courbe verte sur la figure5.9). On peut en particulier remarquer que les actionneurs morts et esclaves limitent le contraste loin de l’axe optique (au-delà de 15λ/D), mais très peu proche du centre de l’image. Le facteur limitant les performances de la PCL apparaît dès lors très clairement comme étant la troncature de la base de contrôle du HODM.
5.4 Conclusion du chapitre
Dans ce chapitre a été présentée l’application de l’extension myope hauts ordres de COFFEE à l’instrument SPHERE. Le fonctionnement de la boucle d’OA extrême SAXO ainsi que le processus de calibration utilisé sur SPHERE pour calibrer les aberrations quasi-statiques de l’instrument, qui repose sur une mesure différentielle par diversité de phase ont été présentés dans la section 5.1. Dans cette section ont en particulier été détaillés les avantages de COFFEE par rapport à cette méthode de mesure différentielle. Dans la section 5.2, COFFEE a été utilisé pour estimer des aberrations introduites par la boucle SAXO. Au cours de ces tests a notamment été démontrée la capacité de COFFEE à estimer une aberration de haute fréquence (poke) sur SPHERE avec une précision nanométrique. Enfin, dans la section5.3, COFFEE a été utilisé au sein d’un processus de compensation (PCL) adapté à l’instrument SPHERE, qui a permis d’optimiser le contraste sur le détecteur IRDIS, démontrant ainsi l’intérêt de COFFEE pour un système opérationnel tel que SPHERE.
A l’issu de l’étude des performances du processus de PCL mis en œuvre sur SPHERE, il est ap-paru que le gain en contraste atteignable sur SPHERE était limité par les performances de la boucle elle-même. En effet, le processus de PCL utilisé ici consiste à compenser au mieux les aberrations φu estimées par COFFEE afin d’améliorer les performances du coronographe, permettant ainsi d’optimiser le contraste en plan focal. Un tel procédé est toutefois limité par la présence d’action-neurs morts sur le HODM, mais surtout par la troncature de la base de contrôle utilisée par SAXO, requise pour améliorer la robustesse de la boucle. L’amélioration du contrôle des aberrations dans les systèmes d’imagerie à haut contraste fait l’objet du chapitre suivant.
Chapitre 6
Vers une extinction ultime dans les systèmes
d’imagerie à haut contraste
Jusqu’à présent, les différents processus de compensation utilisés sur les bancs BOA (sec-tion3.3 du chapitre 3) et MITHIC (section 4.5 du chapitre4) et sur l’instrument SPHERE (cha-pitre5) étaient fondés sur une amélioration du contraste par conjugaison de phase, qui vise à opti-miser l’efficacité du coronographe en compensant les aberrations en amont de ce dernier. Une telle méthode de compensation possède toutefois plusieurs limitations, comme la présence d’aberrations d’amplitude dont l’impact en plan focal ne peut être réduit en compensant les seules aberrations de phase. Par ailleurs, dans le cas d’un instrument complexe tel que SPHERE, les spécificités de la boucle d’OA limitent fortement les performances d’une compensation par conjugaison de phase, comme nous l’avons vu dans le chapitre5.
Une approche plus directe consiste à minimiser directement l’énergie dans une zone donnée du détecteur plutôt que de minimiser la quantité d’aberrations présentes en amont du coronographe. Une telle approche, à laquelle nous ferons par la suite référence sous le nom de « dark hole », est actuellement utilisée par plusieurs méthodes de contrôle de front d’onde pour l’imagerie à haut contraste (EFC, SCC, speckle nulling) sous forme linéarisée (le formalisme associé a été présenté dans le cas de l’EFC dans la section2.3.1du chapitre2). Dans ce chapitre, une nouvelle approche de type dark hole non-linéaire pouvant être couplée avec COFFEE est proposée dans la section 6.1. L’approche de contrôle du front d’onde reposant sur le couplage de COFFEE et du dark hole non linéaire développée au cours de cette thèse est comparée à deux autres approches, la SCC et l’EFC, dans la section6.2. Dans la section6.3, cette nouvelle méthode de compensation est appliquée à l’instrument SPHERE au travers d’une simulation numérique permettant d’évaluer le gain en contraste par rapport à la conjugaison de phase. Enfin, dans la section6.4est abordée la stabilisation du front d’onde en amont du coronographe durant l’observation scientifique.