Optique de reprise

Les éléments constituant l’optique d’achromatisation et de reformation d’image sont la stricte application du principe proposé sur la figure 4.21 : une optique de champ, un masque d’ordre 0, une lentille correctrice blazée, une optique de reprise d’images (fig.6.4)

Fig. 6.4 –Eléments du banc de reprise. L’optique de champ est un télescope muni d’un diaphragme de diamètre maximal 36mm et utilisé hors axe. Un masque d’ordre 0 est en place, la lentille de Fresnel blazée est dans le plan pupille, et une optique de reformation d’image permet de reformer l’image achromatisée en un plan final. Ce plan final se situe "naturellement" sur le plan du capteur d’une caméra CCD, et peut être par l’intermédiaire d’un flip-mirror être envoyé au foyer d’un occulaire.

6.2.3.1 L’optique de champ

L’optique de champ employée est un télescope de type Maksutov-Cassegrain, muni d’un diaphragme et utilisé hors axe. Ce choix s’est fait à la suite des besoins exprimés pour cette optique de champ, à savoir d’une part une distance focale supérieure à deux mètres de façon à pouvoir imager une pupille de dimension centimétrique, et d’autre part un encombrement le plus faible possible, le banc optique faisant 3m de long. L’emploi d’un télescope hors axe comme optique de champ reflète de plus le probable futur cas spatial, permet de s’affranchir en grande partie d’éventuels problèmes de chromatisme, et la focale étant ajustable la dimension de l’image de la pupille l’est aussi : cette dimension a été fixée par itérations successives de mises au point du Maksutov à 11.35mm. Nous avons pu observer la tache de diffraction de ce télescope, et ainsi avons considéré cette optique comme bonne, sachant qu’elle est de toute façon placée dans un plan image. 6.2.3.2 Le masque d’ordre 0

J’ai fait usiner divers masques par la même technique que l’usinage du réseau de Fresnel ou de la mire galaxie. Pour une simple question de prix peu différent que l’on commande 1 ou 4 pièces, nous avons pu tester diverses dimensions de masques, avec des branches d’épaisseur 200 ou 800 microns et des dimensions du carré central de 200, 800 microns ou 1.3mm. Un exemple de masque peut être vu en fig.6.5.

Fig. 6.5 – Exemple de masque d’ordre 0 : les branches sont larges de 200µm, et le carré central mesure 1.3mm. Il est ajusté pour pouvoir masquer l’ensemble de l’ordre 0 de la mire galaxie.

Fig. 6.6 – Réseau correcteur non blazé en bronze-beryllium, mis en place dans son barrillet. Le côté mesure 11.35mm, et les plus petits trous mesureraient théoriquement 24 microns. En réa- lité, ces plus petits trous sont percés, mais leur forme est plus patatoïdale que carrée, n’empê- chant pas la correction chromatique mais dégra- dant la qualité de l’image.

6.2.3.3 La lentille de Fresnel blazée

La lentille de correction du chromatisme ne fut pas immédiatement une lentille blazée. D’une part, il m’a fallu un peu de temps pour développer la méthodologie expliquée au

Présentation des éléments du prototype 119

chapitre 4, et l’algorithme permettant de produire une de ces lentilles blazées. D’autre part, une vérification de la justesse du principe de correction chromatique pouvait être réalisée à moindre frais en faisant usiner par découpe laser une grille homothétique à la grille primaire, mais ajustée à la dimension de la pupille, à savoir un côté de 11.35mm. Ce réseau binaire correcteur peut être vu sur la figure 6.6. Les images achromatisées obtenues avec cette optique nous ont donné une vérification expérimentale que la théorie fonction- nait. Notamment, le fait que la correction chromatique fonctionne même si les côtés du carré de ce réseau correcteur n’étaient pas alignés sur les côtés du carré de la pupille imagée nous a confirmé que nous pouvions utiliser une géométrie autre qu’orthogonale pour corriger une grille à géométrie orthogonale.

Par la suite, j’ai fait usiner des lentilles correctrices blazées. Il s’agit de lentilles de dia- mètre utile 16.054mm, comportant 116 zones, usinées dans de la silice de 5mm d’épaisseur et blazées pour 600nm. C’est l’entreprise Silios Technologies, basée dans les Bouches-du- Rhône qui nous a réalisé deux lentilles blazées, par une technique analogue à des techniques de micro-électronique, à savoir un substrat : une lame à faces parallèles, avec la mise en place d’un premier masque laissant apparaître les zones dont la profondeur recherchée est d’au moins la moitié de la profondeur maximale du profil. Ce premier masque en place, une attaque ionique est effectuée, creusant la silice. Puis un deuxième masque est cen- tré, re-attaque ionique mais cette fois pour enlever seulement le quart de la profondeur maximale. Après deux masques, la lentille est donc discrétisée sur 4 niveaux. Un troisième masque permet l’obtention de 8 niveaux, et ainsi de suite. Etant donné qu’une deuxième lentille était peu facturée si nous en prenions une première (et nous ne pouvions pas prendre que la deuxième...), nous en avons fait usiner deux : une possédant 32 niveaux, et une possédant 128 niveaux. Le pas horizontal selon la lentille est de 1 micron, les di- mensions des marches allant de 600 microns pour la zone centrale à 35 microns pour la zone la plus externe.

Il y a des particularités à savoir sur ces lentilles :

- nous savions qu’il faudrait plusieurs mois pour faire réaliser ces lentilles, et afin de ne pas arrêter l’avancée du projet, nous avons lancé la production en mai 2006, lorsque j’ai obtenu des profils cohérents. Je n’avais alors pas compris pourquoi physiquement le niveau moyen de la lentille descendait du centre vers le bord : comme expliqué notamment à la fig.4.8, j’avais déterminé les positions des bords de zones par homothétie avec les positions des bords de zone de la grille primaire, dessinée pour une conjugaison infini-fini. La lentille blazée fonctionnant en conjugaison fini-fini, la compensation des chemins optiques sur ces bords de zone s’effectue par une décroissance progressive de la profondeur moyenne des marches. Les lentilles que nous avons lancé en production sont affectées de cette décroissance progressive, mais sans conséquence mesurable sur l’efficacité étant donnée le grand nombre de niveaux de discrétisation des marches demandé (32 et 128). Le profil est visible sur la figure 6.8. Je rappelle le fait que bien que l’efficacité de la lentille blazée décroisse avec la longueur d’onde, la correction chromatique reste géométriquement juste : la résolution angulaire est conservée. En revanche, cette décroissance d’efficacité signifie que plus d’énergie est envoyée hors du pic central de la PSF.

- Comme expliqué sur la figure 4.13, si l’on fait usiner n niveaux on peut avoir l’efficacité d’une lentille usinée sur n + 1 niveaux, le niveau le plus bas et le niveau le plus haut étant

Fig. 6.7 – Réseau cor- recteur blazé gravé sur une lame à faces parra- lèles en silice. Le diamètre utile est de 16.054mm, les plus petites zones mesu- rant 35µm.

Fig. 6.8 – Profil des lentilles blazées usinées. Il y a décroissance du niveau moyen des marches depuis le centre vers le bord, n’ayant à l’époque pas encore compris d’où ça venait. La décroissance est toutefois très faible et n’incide pas sur l’efficacité de transmission, à la largeur des traits du graphique d’efficacité (fig.6.10) près.

Présentation des éléments du prototype 121

équivalent à une phase de 2π près. Or dans notre cas, je n’avais à l’époque pas encore pensé à ce processus permettant de diminuer les hauteurs des marches, donc ces lentilles n’en ont pas bénéficié.

- Je n’avais en mai 2006 pas encore développé le module permettant le calcul de l’efficacité en fonction de la longueur d’onde et du nombre de masques. J’ai ajouté ces modules pendant l’été 2006, pour conclure que comme on le pensait l’efficacité resterait haute sur une bande passante spectrale relativement large. Les courbes d’efficacité de ces lentilles sont visibles sur la fig.6.10.

Fig. 6.9 – Les profils représentés sont les profils continus, à 128 et à 32 niveaux de la lentille blazée envoyée en production. Les dernières zones, larges de 35 microns, comprennent donc environ 35 marches et ne remontent plus jusqu’à la surface. Les marqueurs carrés du profil de bord de lentille représentent les points d’échantillonage du profil.

Fig. 6.10 –La longueur d’onde de blaze est de 600nm, longueur d’onde pour la- quelle l’optique de champ est placée au foyer. Sont représentées les courbes d’ef- ficacité pour des lentilles à 8, 16, 32, 128 niveaux et a profil continu (du bas vers le haut, les efficacités pour des lentilles de 32 niveaux ou plus n’étant pas discernables à cette échelle). Les lentilles usinées sont je le rappelle à 32 et 128 niveaux. L’effi- cacité, telle que définie au chapitre 4, est meilleure que 90% pour une lentille de 32 niveaux ou plus sur une BP de ∆λ_λ = 0.3.

Les lentilles nous ont été livrées avec un bulletin de tests qualifiant les déviations maximales des hauteurs des marches par rapport aux spécifications demandées. Ces dé- viations sont de typiquement ±3nm pour la lentille à 128 niveaux, sachant que un niveau de cette lentille mesure 11nm, et de typiquement ±8nm pour la lentille à 32 niveaux, sachant qu’un niveau de cette lentille mesure 44nm. Ces lentilles étant placées dans un

plan pupille, leur qualité va directement influer sur la qualité d’image finale. Or, comme illustré dans la suite du manuscrit, la qualité d’imagerie de l’ensemble du prototype est excellente, confirmant la bonne qualité de ces lentilles blazées.