Optique Adaptative

Les techniques de HRA temps-réel avec une Optique Adaptative (OA) permettent d’intégrer au foyer d’un télescope des images courtes poses, dont les dégradations op- tiques dues à l’atmosphère terrestre ont été partiellement corrigées (fig. 1.5). Ces tech- niques peuvent être combinées à des corrections a posteriori des images longues poses

Techniques pour obtenir les HRA dans les images longues poses 25 obtenues, lorsqu’on souhaite obtenir une résolution angulaire encore plus proche de la résolution limite du télescope. La technique d’Optique Adaptative a été proposée par Babcock [1953] et a tout d’abord été développée pour des applications militaires. Elle est ensuite devenue la solution privilégiée de la HRA pour l’imagerie astronomique longue pose basée sur la Terre. L’OA a fait l’objet de développements considérables à la fin du XXi`eme _{siècle, en dépit de contraintes technologiques et physiques lourdes.} Grâce à cet essor, l’OA est aujourd’hui utilisée pour tout type d’application physique où il faut estimer des aberrations optiques. Elle est devenue un véritable business bien que des techniques a posteriori puissent dans certains cas la remplacer à moindre frais. 1.4.2.1 Corrections et estimations du front d’onde en temps réel

La compensation des aberrations de phase (front d’onde) est effectuée dans des plans conjugués au miroir primaire du télescope. Un grand miroir basculable sert tout d’abord à corriger les pentes globales de la phase (modes de tip-tilt), qui dominent les fluctuations spatio-temporelles de la phase. Des petits miroirs piezo-électriques défor- mables sont utilisés dans un second plan pour corriger les aberrations du front d’onde d’ordres plus élevés que la pente globale. Ces petits miroirs sont en nombre de l’ordre de (D/r0(λ))2 (pour l’instant les OA sur les grands télescopes astronomiques ont un nombre d’actuateurs correspondant à un échantillonnage adéquat pour une correction dans le proche infra-rouge principalement), et doivent effectuer des pas de déforma- tion avec une précision bien meilleure que le micromètre et à une cadence supérieure au kHz. La séparation des modes de tip-tilt permet ainsi de considérablement simplifier la dynamique des petits miroirs.

La compensation appliquée par les miroirs correcteurs est calculée à l’aide des mesures d’un senseur de front d’onde. Dans les systèmes actuels d’OA le senseur est placé après les miroirs correcteurs. Il mesure ainsi les aberrations résiduelles du front d’onde et asservit en boucle fermée les miroirs, au fur et à mesure que le front d’onde évolue. Une revue approfondie des divers types de senseurs de front d’onde et de leurs performances est accomplie dans Rousset [1999].

Le senseur de front d’onde le plus répandu est le senseur linéaire de Shack - Hartmann [Platt and Shack, 1971]. Il divise spatialement le front d’onde en sous- faiceaux, qui sont focalisés par un réseau de micro-lentilles. Le centroïde de chaque sous-faisceau focalisé est un bon estimateur de la pente locale du front d’onde, lorsque la référence lumineuse est une source non résolue pour une sous pupille (sinon il faut relier ce centroïde au gradient moyen et non pas à la pente locale de la surface d’onde), et pourvu que les aberrations locales d’ordres plus élevés ne soient pas trop impor- tantes. Le front d’onde peut alors être reconstruit en utilisant les estimations de pentes locales et de bons a priori. L’avantage de ce senseur géométrique est que les centroides ne dépendent pas de la longueur d’onde. Il peut donc fonctionner en mode achro- matique pour intégrer plus de lumière. De plus il peut également fonctionner avec

Miroir déformable Front d’onde cabossé Front d’onde plat

Pupille Miroir de 2 axes Séparatrice de surface Analyseur d’onde basculement du télescope avant l’atmosphère CCD Calculateur

F. 1.5 –Principe de fonctionnement d’une optique adaptative.

Plan focal micro−lentilles Image CCD Réseau de Plan pupille CCD turbulent

Centroïde du sous−faisceau focalisé Centre optique d’une micro−lentille Front d’onde

Techniques pour obtenir les HRA dans les images longues poses 27 des sources étendues, en utilisant des corrélations entre les différentes imagettes de la source pour estimer les pentes locales [Michau et al., 1992].

Un senseur mesurant la courbure de la phase, d’après les sur-intensités et sous- intensités qui sont associées à la courbure dans des plans situés de part et d’autre du plan focal, a été proposé par Roddier [Roddier, 1988]. Son utilisation se limite toute- fois à l’estimation d’un nombre moins important de modes que le Shack-Hartmann, c’est à dire pour des faibles D/r0. Il sert notamment à mesurer les aberrations statiques des télescopes. D’autres senseurs prometteurs, comme le senseur pyramidal [Ragaz- zoni, 1996] ont également été proposés pour l’Optique Adaptative. Toutefois le Shack- Hartmann bénéficie d’une plus grande simplicité et d’une plus grande maîtrise.

Les méthodes de reconstruction de phase à partir d’images tavelées focalisées peuvent également servir à l’analyse de surface d’onde pour l’Optique Adaptative. Elles peuvent être envisagées à l’analogue d’un Shack-Hartmann pour estimer les aberrations d’ordres plus élevés que les pentes des sous-pupilles [Cannon, 1995; van Dam and Lane, 2002a]. Dans ce sens la méthode de reconstruction de phase à par- tir d’une image tavelée que j’ai développée, permet d’envisager un système d’optique adaptative en boucle ouverte avec des rapports d/r0élevés, où d est le diamètre d’une sous-pupille. Ces méthodes s’appuient cependant sur des images monochromatiques et nécessitent donc un flux de référence monochromatique élevé. La diversité polychro- matique de phase peut permettre d’améliorer le flux en utilisant des images à plusieurs longueurs d’onde pour estimer le même chemin optique. La diversité polychromatique permet également, comme je le montre au chapitre 5, de reconstruire des phases pour des D/r0 plus élevés par rapport au cas monochromatique. Les méthodes de recons- truction de phase ne sont à l’heure actuelle pas encore utilisées pour les corrections en temps réel de l’optique adaptative, car elles recquièrent une puissance de calcul trop élevée. Elles sont toutefois très attrayantes par la simplicité de l’instrumention mise en jeu et puisqu’elles permettent d’estimer toutes les aberrations jusqu’au plan focal des images.