Compensation

Contrairement au banc BOA présenté dans la section précédente, le banc MITHIC n’est pas équipé d’une boucle d’OA. Par conséquent, les aberrations estimées par COFFEE bφ_u sont direc-tement introduites via le SLM pour compenser les aberrations φ_u présentes en amont du corono-graphe. Le processus de compensation itératif mis en œuvre sur MITHIC peut dès lors être décrit, à l’itération i, par l’équation suivante :

φⁱ⁺¹_u =φⁱ_u− gbφⁱ_u, (4.5.2)

avec g le gain de la boucle (dans ce qui suit, g = 0,5). L’application de ce processus de compensa-tion sur MITHIC est présenté sur la figure4.18, où sont représentées les images coronographiques acquises sur le banc à mesure que le nombre d’itérations augmente, ainsi que les profils de contraste moyens associés.

Sur cette figure, on constate qu’à mesure que les itérations augmentent, l’intensité des speckles proche de l’axe optique (en dessous de 11λ/D) diminue, permettant ainsi comme attendu d’amé-liorer le contraste. En revanche, au-delà de 11λ/D, on observe le phénomène inverse : la quantité de speckles augmente itération après itération, menant ainsi à une dégradation du contraste à me-sure que le nombre d’itérations augmente.

Ce phénomène traduit le fait que les aberrations de basses fréquences spatiales (< 11 cycles par pupille) sont convenablement estimées par COFFEE et compensées par le SLM, permettant ainsi d’améliorer le contraste dans une zone proche de l’axe optique. En revanche, les aberra-tions de plus hautes fréquences sont ici mal compensées, soit parce qu’elles sont mal estimées par COFFEE, soit parce qu’elles sont mal introduites sur le SLM. Or, nous avons vu dans la section précédente que COFFEE était capable d’estimer avec une précision nanométrique des aberrations de hautes fréquences spatiales. Dès lors, on peut légitimement penser que c’est l’introduction des aberrations estimées sur le SLM qui n’est pas suffisamment précise pour permettre la compen-sation de hautes fréquences spatiales. Autrement dit, la position des aberrations estimées dans la pupille ne serait pas parfaitement exacte : si un tel comportement est avéré, les aberrations variant très lentement dans la pupille (basses fréquences) ne seront quasiment pas affectées par ce phéno-mène. En revanche, les aberrations variant très rapidement dans la pupille (hautes fréquences) ne pourront plus être convenablement compensées. Pire, lors de la soustraction (équation (4.5.2)), les hautes fréquences de la phase estimées viendront s’ajouter aux aberrations présentes en amont du coronographe, dégradant ainsi le contraste loin du centre de l’image.

0 5 10 15 20 25 l/D 10−5 10−4 10−3 Raw contrast Iteration 0 Iteration 1 Iteration 2 Iteration 3 Iteration 4 Iteration 5

FIGURE 4.18 – Compensation d’une aberration introduite par le SLM avec COFFEE. En haut, images coronographiques acquises sur MITHIC au fur et à mesure des itérations (de gauche à droite). En bas, profils de contrastes moyens calculés à partir des images coronographiques ac-quises à chaque itération.

4.5. LE BANC MITHIC

FIGURE 4.19 – Estimation d’une grille de pseudo-pokes introduite par le SLM (en haut) avec, en bas et de gauche à droite, COFFEE, la diversité de phase et ZELDA.

Afin de confirmer le raisonnement précédent, une grille constituée de 4 pseudo-pokes (fi-gure 4.19, en haut) a été estimée avec trois ASO différents (figure 4.19, en bas) : COFFEE, la diversité de phase et ZELDA, ASO utilisant un masque à contraste de phase pour estimer les aber-rations en amont du coronographe dont le principe sera présenté dans le chapitre6. Pour chaque ASO, la position de chacun des 4 pokes a été comparée à la position des pseudo-pokes introduits sur le SLM.

Le résultat de cette comparaison est présenté sur la figure4.20, où sont représentées les diffé-rentes positions des pokes mesurées dans les trois cartes de phases estimées présentées en bas de la figure4.19. Sur ce graphe, on constate un léger décalage (ce dernier a été agrandi d’un facteur 5) entre les positions des pokes estimées à l’aide des différents ASO et celle des pokes introduits sur le SLM. Ce dernier provient des défauts d’alignements divers du SLM dans la pupille d’en-trée du système : en effet, le processus de compensation mis en oeuvre sur MITHIC suppose, lors de la compensation des aberrations, que le SLM est parfaitement centré dans la pupille, ce qui n’est naturellement pas le cas. Cet alignement a en effet été réalisé aussi précisément que possible, mais reste entaché d’une erreur due à une imprécision sur le positionnement du SLM (translation, rotation...) ou à un grandissement pupillaire mal maîtrisé.

La distorsion ainsi observée est à l’origine de l’augmentation de l’énergie loin de l’axe optique observé sur la figure4.18. Pour améliorer les performances du processus de compensation, il sera nécessaire de prendre en compte ces mesures de distorsions lors de l’introduction de la phase bφ_u estimée par COFFEE. La calibration de ces déformations permettra la définition d’un opérateur D pour calculer la phase Dbφ_udans laquelle les aberrations seront convenablement « repositionnées » dans la pupille pour permettre de compenser les hautes fréquences de la phase. Cette transformation devra être introduite dans l’équation (4.5.2), qui deviendra alors :

FIGURE 4.20 – Illustration du décalage (agrandi d’un facteur 5) entre les pseudo-pokes introduits sur le SLM (carrés noirs) et les pseudo-pokes estimés par ZELDA (losanges rouges), la diversité de phase (triangles verts) et COFFEE (disques bleus).

4.6 Conclusion du chapitre

Dans ce chapitre, le formalisme de COFFEE a été modifié pour permettre une estimation des aberrations de hautes fréquences spatiales, et ce pour tout type de coronographe (section 4.1). La nouvelle extension ainsi conçue est capable d’estimer des aberrations en amont et en aval du coronographe avec une précision nanométrique, permettant ainsi d’optimiser le contraste sur le dé-tecteur (section4.2). Par ailleurs, afin d’améliorer la robustesse et la précision de l’estimation, une estimation conjointe d’une erreur sur la phase de diversité (section4.3) et des aberrations d’ampli-tudes (section4.4) a été implantée. La nouvelle extension de COFFEE ainsi conçue a été validée sur le banc MITHIC du LAM (section4.5), où nous avons en particulier démontré la capacité de COFFEE a estimer des aberrations de phase de haute fréquence spatiale (pseudo-poke) avec une précision nanométrique. A l’issu de cette validation, plusieurs limitations ont été identifiées et des solutions proposées.

Les performances de cette nouvelle extension myope de COFFEE, évaluées par simulations numériques et partiellement démontrées en laboratoire, ont motivé l’application de cette nouvelle méthode d’analyse de front d’onde sur l’imageur de planètes extrasolaires européen SPHERE pour en optimiser les performances, ce qui est l’objet du prochain chapitre.

Chapitre 5

Application de COFFEE à SPHERE

L’extension hauts ordres de COFFEE présentée dans le chapitre4a pu être testée sur l’instru-ment SPHERE, présenté dans le chapitre1, au cours de sa phase d’intégration à l’institut de plané-tologie et d’astrophysique de Grenoble (IPAG). L’enjeu, qui était de taille, était de valider COFFEE sur un système opérationnel, et non plus sur un simple banc de test, mais aussi de démontrer que cette nouvelle méthode d’analyse de front d’onde permettait d’optimiser les performances d’un ins-trument réel. Ce chapitre présente les différents résultats obtenus lors de l’application de COFFEE sur l’instrument SPHERE. Dans la section5.1, nous reviendrons en détail sur le fonctionnement de la boucle d’OA SAXO, brièvement évoquée dans le chapitre 1. La section5.2 décrit les résultats obtenus lors de la validation de COFFEE sur SPHERE, consistant à estimer une aberration connue introduite de manière calibrée en amont du coronographe. Pour finir, les résultats obtenus lors de l’utilisation de COFFEE au sein d’un processus de compensation destiné à optimiser le contraste de SPHERE seront présentés dans la section5.3.

Les travaux présentés dans ce chapitre ont fait l’objet d’une publication soumise dans la revue Astronomy & Astrophysics qui pourra être trouvée dans l’annexeEde ce manuscrit.

5.1 La calibration des NCPA de SPHERE

Cette section présente la procédure actuellement utilisée pour calibrer les aberrations quasi-statiques de l’instrument SPHERE. Cette dernière est réalisée en mesurant les aberrations par di-versité de phase classique (pas de coronographe), puis en les compensant à l’aide de la boucle d’OA extrême SAXO. Les caractéristiques et le fonctionnement de la boucle SAXO sont présen-tés dans la5.1.1. La section 5.1.2, quant à elle, détaille la procédure d’estimation des aberrations quasi-statiques par diversité de phase classique utilisée sur SPHERE.