On se propose d’orienter chaque technologie de fabrication appliquée aux systèmes découpeurs d’images vers les projets instrumentaux adéquats, en citant les avantages et les inconvénients de chacune. Dans un premier temps, on fournit un comparatif entre différents designs optiques de découpeurs d’images. Puis, on guidera chaque technologie de fabrication vers chaque instrument en fonction de ses spécifications de haut niveau.
Au cours de cette étude, trois designs différents de systèmes découpeurs d’images ont été présentés :
• Design tout réflectif avec trois matrices de miroirs – miroir découpeur, miroirs pupille et fente (Chapitre 3),
• Design catadioptrique associant un miroir découpeur avec des barrettes de mini lentilles et des lentilles de champ (Chapitre 4),
• Design tout réflectif avec deux matrices de miroirs (miroir découpeur et miroirs secondaires) (Chapitre 5).
Etant données les contraintes de masse et d’encombrement mécanique des instruments spatiaux ou sol, les systèmes découpeurs d’images tout réflectifs sont très compacts par rapport aux catadioptriques bien que ceux-ci puissent être repliés à l’aide d’un miroir plan. De plus, les temps de tests et de qualification des découpeurs d’images réflectifs sont moins longs car ils sont réalisés à une seule longueur d’onde. Néanmoins, l’avantage d’un système catadioptrique est que le nombre d’éléments optiques de type différent est réduit puisque les barrettes de mini lentilles sont identiques. De plus, il permet de supprimer les angles d’incidence dus aux miroirs, donc de réduire les aberrations afin de le rendre applicable à des instruments grand champ comme MUSE. Le désavantage des systèmes à trois miroirs est qu’ils incorporent des éléments optiques différents en terme de rayon de courbure et de tilts, ce qui augmente les coûts de fabrication. Dans ce sens, le système réflectif à deux miroirs est plus avantageux. En revanche, ce dernier présente l’inconvénient de multiplier les fonctions des miroirs secondaires agissant, à la fois sur la pupille de sortie et sur la pseudo fente rendant les plans intermédiaires peu accessibles.
Sur chaque miroir découpeur, en respectant les spécifications de haut niveau, la fabrication peut être optimisée en supprimant par exemple le tilt des slices autour de l’axe x, en choisissant des lots de rayon de courbure identique, ou en polissant toutes les slices en même temps sous la sphère de polissage afin de réduire les coûts de fabrication.
Dans ce mémoire de thèse, deux grandes technologies de fabrication ont été réalisées et testées :
• Technologie de polissage classique, sur du Zérodur, avec un assemblage à l’aide d’un trièdre optique,
• Technologie d’usinage diamant, sur du cuivre, sur une pièce monolithique.
Les systèmes découpeurs d’images fabriqués en Zérodur et en production individuelle de slices ont montré que les performances optiques demandées étaient atteintes, bien que celles-ci soient de l’ordre de la dizaine de secondes d’arc pour la précelles-cision sur l’angle des slices. Les bonnes performances optiques des systèmes découpeurs d’images en verre ont été obtenues au prix d’une Recherche et Développement active qui a duré près de quatre années en collaboration avec le CRAL, Cybernétix et le LAM. Un pas technologique a été franchi lors de la fabrication du miroir découpeur du prototype ESA, en validant le trièdre de qualité
optique servant à l’assemblage de la pile de slices par adhésion moléculaire. Un second pas technologique a définitivement validé les miroirs découpeurs en Zérodur, avec le prototype MUSE, puisque les caractéristiques géométriques et les spécifications de celui-ci étaient trois fois plus contraignantes que sur les deux autres prototypes déjà conçus. De plus, des tests à 50 K ont permis de valider le système optomécanique pour une instrumentation spatiale. Le seul inconvénient des systèmes découpeurs d’images en verre est le coût et le temps de fabrication. Bien qu’optimisée, celle-ci repose sur du polissage classique d’éléments individuels et sur un assemblage en classe propre basé sur la technique d’adhérence moléculaire. Le coût devient un facteur limitant pour une instrumentation multi IFUs comme MUSE, mais aussi pour les projets spatiaux comme JWST. En effet, suite à un appel d’offre européen, l’ESA vient de sélectionner la fabrication de l’IFU de NIRSpec basée sur la technologie d’usinage diamant sur des pièces monolithiques en aluminium.
Une alternative au coût et temps de fabrication excessifs est peut être l’utilisation des progrès de la technologie par usinage diamant sur des métaux. Trois prototypes ont été fabriqués et testés à l’Observatoire de Lyon pour l’instrumentation du VLT. La technologie basée sur une fabrication individuelle n’a pas permis d’atteindre les spécifications demandées (bien que le prototype de la société C présente des états de surface satisfaisants). La technologie choisie par la société D qui s’est orientée vers une fabrication monolithique des éléments a permis de valider l’alignement angulaire des miroirs. Ce prototype a révélé quelques non conformités, dont un profil de forme non sphérique des slices suivant la direction de dispersion, créant un élargissement de la pupille ainsi qu’une absence de coating liée à l’orientation des slices. Actuellement, des discussions avec les industriels concernés permettront d’améliorer leurs procédés afin de résoudre ces non-conformités. L’industrie de l’usinage diamant a fait des progrès puisqu’il y a cinq ans, la principale difficulté de réalisation des miroirs découpeurs en métal était la rugosité. Or celle-ci a été mesurée plusieurs fois inférieure à 5 nm RMS sur nos prototypes. De plus, peu de structures dues à la trace de l’outil sont présentes sur la surface optique. De ce fait, les miroirs découpeurs métalliques en usinage diamant deviennent des candidats sérieux pour une instrumentation astronomique dans le domaine visible pour des instruments multi IFUs. Le polissage diamant monolithique devient plus prospectif pour une production en petite série. Pour MUSE, le polissage, l’alignement et le contrôle de 1200 slices et autant de miroirs pupille réalisés de manière traditionnels comportent des risques importants qui peuvent sans doute être minimisés par l’application de procédures de management et de contrôle qualité appropriées, mais qui conduisent nécessairement à des coûts importants.
4 Conclusion
Un système découpeur d’images à trois ou deux jeux de miroirs réalisés en Zérodur est très adapté à une instrumentation spatiale ou sol mettant en place un seul IFU présentant des performances optiques inégalées par d’autres technologies. En revanche, pour une instrumentation multi IFUs, le coût de fabrication devenant contraignant, l’orientation vers d’autres technologies comme l’usinage diamant sur des métaux, moins performantes, mais moins coûteuse, semble être une piste à explorer. Cette industrie a largement progressé depuis ces dernières années puisqu’elle nous permet d’atteindre des rugosités inférieures à 5 nm RMS, permettant de l’appliquer à une instrumentation dans le domaine visible. Malgré tout, des améliorations sur les procédés de fabrication restent nécessaires.