CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Fin 2002, les objectifs de mon travail de thèse étaient de prouver la faisabilité d’un nouveau type de spectrographe intégral de champ pour permettre son implantation dans l’instrumentation du JWST et du VLT. Notamment, les aspects suivants devaient être couverts :
• La modélisation des performances d’un système découpeur d’images, avec prise en compte, en particulier, de la qualité optique et des effets de diffraction afin d’affiner les cahiers des charges, et si possible, d’en simplifier les procédés de fabrication. • Le suivi de la réalisation de prototypes correspondant à l’instrumentation du JWST et
du VLT, avec une participation active à la définition des méthodes de fabrication, d’assemblage et de test des composants optiques individuels et assemblés, en prenant en compte les contraintes spécifiques à des multi-IFUs comme MUSE, et à un environnement spatial pour NIRSpec.
• Les tests de performances optiques des prototypes complets.
• L’analyse des résultats de ces tests de performances, et leur comparaison avec les prédictions des modèles théoriques développés dans le cadre de la thèse, en identifiant les points de désaccord et en proposant des solutions pour l’avenir.
Après une brève introduction décrivant les instruments astronomiques, le Chapitre 2 expose deux outils logiciels permettant une connaissance plus approfondie des systèmes découpeurs d’images. Le premier logiciel calcule le pourcentage de zones de blocages des rayons lumineux sur le miroir découpeur pouvant conduire à une perte de lumière. Le second offre une modélisation des systèmes découpeurs d’images en tenant compte des effets de la diffraction, des aberrations géométriques et des défauts d’états de surface des éléments optiques. Ces deux logiciels m’ont permis d’approfondir mes connaissances en optique de Fourier et d’ouvrir de nombreuses discussions avec des astronomes et des ingénieurs du CRAL.
Le Chapitre 3 entre dans le cœur du sujet. Après avoir étudié des designs optiques de systèmes découpeurs d’images, le premier prototype, nommé CRAL, constitue une première mondiale de par sa fabrication, son assemblage et sa qualification sur banc optique. En effet, il repose sur un système découpeur d’images à trois matrices de miroirs. Le miroir découpeur, pièce maîtresse, est composé d’un empilement de 11 miroirs sphériques et tiltés, adhérés moléculairement entre eux. Après avoir participé activement à sa définition, sa fabrication et ses tests, les résultats montrent quelques non-conformités, mais qui restent très encourageantes pour les futurs prototypes. Un second prototype, nommé ESA, a été étudié, fabriqué, assemblé puis testé, en collaboration avec le LAM et l’Université de Durham. Tirant profit des conclusions du prototype CRAL, j’ai orienté la fabrication et l’assemblage des éléments optiques, qui ont été modifiés afin d’éliminer les éclats de bord et de rendre le découpeur d’images contrôlable en temps réel grâce à un nouvel outil d’assemblage optique. C’est ainsi que la qualité image obtenue, associée à un excellent alignement a permis de valider la fabrication des optiques par Cybernétix. De plus, des tests de vibrations et à 50 K, auxquels j’ai participé, ont démontré que la stabilité de la structure optomécanique et la qualité des performances optiques étaient maintenues. Grâce à l’expérience acquise sur ces deux prototypes, qui m’a permis d’acquérir des méthodes de tests et de collaborer avec des instituts de recherche européens, l’Observatoire de Lyon se positionne aujourd’hui comme l’un des leaders mondiaux des systèmes découpeurs d’images, et plus précisément sur ceux
fabriqués en technologie verre. A partir de là, mon travail de thèse a évolué, entraînant mon implication dans un grand projet comme MUSE.
Motivé par de nombreux projets scientifiques et fort de l’expérience recueillie sur les découpeurs d’images, le CRAL a répondu à un appel à propositions de l’ESO concernant la seconde génération d’instruments du VLT en proposant MUSE (Multi Unit Spectrograph Explorer). Instrument imposant, dont le champ de vue est de une minute d’arc, divisé par une pré optique en 24 sous champs qui nourrissent chacun un système découpeur d’images associé à un spectrographe. Afin de répondre aux spécifications de MUSE, un découpeur d’images original, alliant miroir découpeur et barrettes de mini lentillles, a été proposé. Afin de prouver la faisabilité de ce nouveau système, un prototype représentatif de l’instrument MUSE a été fabriqué puis testé. Malgré des dimensions géométriques et des spécifications de haut niveau trois fois supérieures aux deux autres prototypes, les résultats des tests optiques dans les plans image et pupille du système se sont révélés pour la plupart conformes aux spécifications, validant le système découpeur d’images pour la fin de l’étude de faisabilité. Ce dernier prototype, dont j’avais la responsabilité au sein du projet MUSE, clôt et qualifie les systèmes découpeurs d’images en technologie verre pour des instrumentations spatiales ou sols. Le Tableau 1 montre l’évolution des caractéristiques et des spécifications pour les trois prototypes testés au CRAL.
Prototype CRAL Prototype ESA Prototype MUSE
Nombre de slices empilées 11 30 38
Nombre de slices testées 10 5 12
Grandissement du système découpeur d’images 0.148 0.082 0.043
Dimension d’une slice (mm) 18.9 x 0.9 27 x 0.9 81 x 1.59
Rapport Longueur/Largeur des slices 21 30 51
Spécifications d’alignement des slices (secondes
d’arc) 60 30 9
Surface du champ découpé (mm²) 714 729 4894
Dimensions des optiques secondaires – miroirs ou
lentilles (le long de la fente en mm) 3.04 2.75 7.33
Nombre d’IFU total à construire pour l’instrument 1 2 × 4 24
Tableau 1 : Caractéristiques des systèmes découpeurs d’images en verre testés au CRAL
Malgré des performances optiques remarquables, l’inconvénient majeur de ces systèmes est leur coût de fabrication, défavorisant leur introduction dans des instruments multi IFUs. C’est pour cette raison que, en vue d’une production en série des découpeurs d’images de MUSE, un nouveau concept, basé sur deux matrices de miroirs a été proposé. Il semble plus adapté à une production en série utilisant les progrès de la technologie par usinage diamant. Trois prototypes en métal ont donc été fabriqués et testés à l’Observatoire de Lyon. Chaque fournisseur étant libre de choisir son matériau et sa méthode de fabrication afin de répondre au nouveau cahier des charges. Les tests effectués au CRAL, auxquels j’ai apporté mon expertise, ont montré que la méthode par assemblage individuel des slices, est largement hors spécifications. En revanche, une approche d’usinage monolithique des optiques permet d’atteindre les spécifications d’alignement. Après l’avoir testé sur banc optique, quelques non-conformités apparaissent sur le miroir découpeur – Profil de forme non sphérique sur la largeur de la slice créant un élargissement de la pupille et absence de coating sur les slices les plus inclinées. Ces non-conformités peuvent être corrigées par une modification, soit du design soit du procédé de fabrication, et sont en cours de discussion avec l’industriel. Néanmoins, il existe des signes encourageants pour l’avenir comme la rugosité, qui est passée
de 15 à 5 nm RMS, en cinq années de développement. Moyennant encore quelques efforts dans le procédé de fabrication, ces prototypes proposent une alternative aux découpeurs d’image en verre pour des instruments multi IFUs dans le domaine de longueur d’onde proche infrarouge.
Un dernier chapitre offre une comparaison détaillée, argumentée et s’appuyant sur mon expérience réelle de près de quatre années d’étude, sur l’adaptabilité de chaque système et de chaque technologie aux différents instruments. En effet, atteignant des performances optiques inégalées jusqu’à ce jour, les découpeurs d’images en technologie verre sont adaptés à tous types d’instrumentations. En revanche, une alternative doit être trouvée pour des instruments multi IFUs puisque l’inconvénient majeur de la technologie verre est son coût. Cette alternative peut être trouvée dans la technique d’usinage diamant sur des métaux, qui a fait des progrès considérables ces dernières années, bénéficiant de la R&D mondiale de la branche métallurgie.
Personnellement, je pense qu’une solution possible pour les instruments multi IFUs comme MUSE et KMOS pour le VLT, MOMFIS pour OWL (Figure 1) et l’instrumentation des ELT, est de combiner les deux technologies étudiées dans ces chapitres. En effet, de part sa géométrie, le miroir découpeur est l’objet le plus difficile à réaliser. Ayant prouvé que la technologie verre satisfaisait pleinement les spécifications, il est préférable qu’il soit fabriqué en verre. Quant aux miroirs secondaires, pouvant être disjoints et présentant un rapport Largeur/Hauteur de l’ordre de 2, ils peuvent être fabriqués en métal par usinage diamant, au prix d’une validation sur banc optique.
Ce travail de thèse m’a permis d’acquérir une réelle expertise sur les systèmes découpeurs d’images pour la spectroscopie intégrale de champ, s’appuyant sur trois communications SPIE présentées en Annexe 3 et sur deux publications de rang A en cours de révision. Ces colloques nationaux et internationaux m’ont permis d’échanger des idées et de transmettre mes connaissances sur les systèmes découpeurs d’images. De plus, mon implication rapide dans de grands projets comme NIRSpec et MUSE, m’a permis de côtoyer divers consortiums européens. De plus, ce travail de thèse met en avant la recherche industrielle française de par la collaboration avec Cybernétix, finançant un contrat CIFRE pour la validation de concepts innovants et originaux.