Caractéristiques du banc SESAME

Le banc SESAME a été dimensionné pour simuler un télescope de 8m ouvert à f/15 (VLT-like) avec un seeing ajustable de 0.5” à 1.5”. Le champ accessible à travers tout le banc est d’environ 2’ de diamètre. Il est possible de simuler dans ce champ jusqu’à 5 couches de turbulence de hauteurs variables de 0 à 30km. L’évolution de la turbulence est contrôlée via la rotation des écrans de phase et synchronisée avec les analyseurs de front d’onde.

Le chemin optique permet de faire une analyse du front d’onde multi-directionnelle jusqu’à 4 directions différentes en boucle ouverte ou fermée. La correction peut s’effectuer à l’aide d’un miroir déformable bimorphe de 31 actionneurs monté sur une monture Tip-Tilt ou de n’importe quel autre miroir déformable visiteur positionnable sur une des 4 voies du banc. La voie d’imagerie peut fonctionner dans la gamme de longueur d’onde 0.5-1.65µm.

Le banc SESAME est composé de : – un banc optique de 3m×1.6m.

– de sources d’intensité variables pour l’analyse de front d’onde positionnables dans un champ d’environ 2’ de diamètre.

– d’une étoile laser reproduisant l’élongation du spot laser, focalisable à une distance entre 0km et 300km.

– de 3 ecrans de phase en transmission permettant de simuler une atmosphère en 3 dimensions (d’altitude variable) et respectant la statistique de Kolmogorov ainsi que

3.4 Le banc d’optique adaptative SESAME 87

Fig. 3.11 – Photo du banc SESAME. On représente en traits rouges le chemin optique de la lumière provenant des sources parcourant tout le banc jusqu’aux 4 foyers disponibles (4ASO). On y distingue le miroir déformable de SESAME à 31 actionneur encastré dans une monture tip-tilt (en haut) ainsi qu’un deuxième miroir déformable (OKO à 37 action- neurs) en cours de tests placé sur une des 4 voies du banc.

2 autres écrans de phase en réflexion.

– un système de rotation des ecrans de phase permettant de simuler des vitesses de couches de turbulence variables.

– de diverses sources permettant la calibration du banc.

– d’un miroir déformable de type bimorphe à 31 actionneurs encastré dans une monture Tip-Tilt.

– 4 analyseurs de surface d’onde Shack-Hartmann 14×14 dimensionnés pour avoir une grande sensibilité (<10nm rms) ainsi qu’une très large dynamique, dont la réponse reste linéaire jusqu’à 20µm rms.

– de 2 caméras d’imagerie.

– une carte electronique entrée/sortie de 96 voies permettant de contrôler le miroir déformable ainsi que toutes les sources disponibles sur le banc.

– 3 platines de translation motorisées permettant un déplacement micrométrique sur une course totale de 25mm.

– un ordinateur de contrôle du banc doté d’une interface Labview permettant de piloter tous les éléments du banc en local ou en réseau via une connexion ftp.

– une architecture permettant de dialoguer et piloter le banc SESAME sous n’importe quel langage informatique haut niveau (IDL, Matlab, Yorick, ect...).

La figure 3.12 illustre un exemple de schéma de fonctionnement du banc SESAME dans une configuration où les 4 voies du banc sont utilisées.

Fig.3.12 – Le banc SESAME dans une configuration d’analyse de front d’onde sur 2 étoiles hors-axe (bleu et vert) pour l’application d’une correction dans l’axe (rouge) avec un ASO et une caméra d’imagerie.

Troisième partie

La commande d’un miroir déformable

en boucle ouverte

Chapitre 4

L’importance d’un modèle en boucle

ouverte.

Dans le cadre de l’instrument EAGLE, ainsi que de son démonstrateur technique CA- NARY, j’ai effectué des tests de miroirs déformables de plusieurs technologies différentes afin de conclure sur la faisabilité du contrôle en boucle ouverte. Comme je l’ai déjà souli- gné, en boucle ouverte la forme du miroir déformable n’est jamais directement mesurée par l’analyseur de surface d’onde qui le contrôle. Il est donc impossible de savoir si le miroir déformable a réellement effectué la correction demandée. La problématique qui nous inté- resse dans ce chapitre consiste à reproduire expérimentalement le front d’onde que nous voulons corriger jusqu’à une certaine erreur correspondante aux spécifications de l’instru- ment EAGLE. Une différence nulle entre le front d’onde désiré et le front d’onde réellement obtenu signifie que le modèle de contrôle mis au point correspond parfaitement au miroir déformable utilisé. Il constitue la limite ultime du contrôle en boucle ouverte. Ce principe est illustré figure 4.1.

Un miroir déformable est donc considéré « de grande qualité » au sens de la boucle ouverte quand il peut être correctement modélisé afin de minimiser les erreurs de contrôle. Dans l’état actuel des connaissances un miroir déformable est considéré non-apte au contrôle en boucle ouverte simplement car nous ne sommes pas capables d’arriver à le modéliser correctement. La caractérisation de miroirs déformables en boucle ouverte a donc pour double objet d’une part de tester ses performances et d’autre part de chercher et trouver son bon modèle de fonctionnement.

Toutefois, en l’absence de modèle suffisamment précis du miroir déformable au regard des spécifications, il existe néanmoins une solution parallèle de contrôle du miroir défor- mable pendant son fonctionnement en boucle ouverte. Le principe est d’utiliser une boucle d’OA classique (fermée) en asservissant sur une source placée hors de l’axe optique de la voie scientifique. Après réflexion de la lumière de la source sur le miroir, un ASO peut alors mesurer la forme réelle du miroir en parallèle de la boucle principale. Le principe de cette solution est illustré en vert sur la figure 4.2.

Cette solution qui consiste à espionner le miroir déformable pendant son fonctionnement souffre de plusieurs défauts. La boucle d’asservissement secondaire ainsi formée (illustrée

Fig. 4.1 – Principe de la mesure de l’erreur de boucle ouverte du miroir déformable : le front d’onde réel diffère du front d’onde désiré par l’utilisateur (en haut) ou calculé à partir d’un jeu de tensions test (en bas).

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Fig. 4.2 – Principe d’une optique adaptative fonctionnant en boucle ouverte (jaune). Une boucle fermée (vert) additionnelle peut être ajoutée afin de surveiller la forme du miroir déformable.

en vert sur la figure 4.2) doit être cadencée plus rapidement que la boucle principale (illus- trée en jaune) afin d’améliorer significativement les performances. La commande calculée par le RTC est envoyée en consigne à la boucle d’asservissement secondaire en charge de la faire respecter par le miroir déformable. Ceci entraîne une complexification importante de la loi de commande pouvant rendre problématique le diagnostic en cas de problème d’as- servissement. On complexifie finalement un système qui l’est déjà beaucoup, augmentant de ce fait le risque de mauvais fonctionnement qu’il soit total ou partiel.

Cette solution est fonctionnelle mais encore incertaine et à un coût à payer en terme de complexité, de fiabilité, de prix et d’efforts techniques à effectuer. Il est donc indispensable d’envisager une deuxième solution qui consiste à développer de nouvelles méthodes de calibrations permettant de contrôler directement le miroir déformable en boucle ouverte sans un tel système annexe.

Dans le cadre de l’instrument EAGLE, il est nécessaire d’envisager toutes les solutions afin de pouvoir choisir en connaissance de cause entre ces 2 possibilités de contrôle du miroir. Je présente donc dans cette partie les tests que j’ai effectué en développant des modèles et des méthodes de calibrations innovantes afin d’investiguer sur la faisabilité du contrôle du miroir en boucle ouverte pour les précisions requises sur l’instrument EAGLE.