2 Design Optique
2.1 Présentation du système découpeur d’images de Phase A
Le diviseur de champ placé à la sortie de l’optique d’entrée le découpe en 24 sous champs rectangulaires. Chaque sous champ est imagé par des relais optiques sur un miroir découpeur. Dans le cas de MUSE, le système « classique » de découpeur d’images à trois éléments réflectifs présenté au Chapitre 2 n’est pas directement applicable pour plusieurs raisons [4] :
• Le sous champ de vue de 20×7.5 secondes d’arc qui augmente l’incidence des rayons arrivant sur le miroir découpeur, créant de l’aberration pupillaire dans le plan des pupilles intermédiaires et aussi dans le plan de la pupille de sortie,
• Un rapport de grandissement particulièrement faible (0.043) engendrant une qualité image médiocre,
• Un nombre élevé d’éléments individuels différents (114 par voie), conduisant à des risques de fabrication et d’assemblage et à un coût élevé.
La plupart de ces problèmes ont pu être surmontés en remplaçant les barrettes de miroirs pupille et fente par des barrettes de mini lentilles identiques en association avec deux lentilles de champ comme le montre la Figure 4- 3. Ce découpeur d’images est appelé « découpeur d’images catadioptrique » (Catadioptric Image Slicer – CIS).
Figure 4- 3 : Design optique du système découpeur d’images de l’instrument MUSE
La pupille d’entrée du découpeur d’images est située sur un miroir sphérique placé à 575 mm du miroir découpeur, où elle est matérialisée par un masque elliptique (5.77 mm suivant l’axe x et 2.54 mm suivant l’axe y). L’angle d’incidence sur le miroir découpeur est de 1°. De ce fait, le chemin optique est presque identique pour toutes les slices, ce qui réduit les aberrations et permet d’optimiser la qualité image.
Le système découpeur de l’instrument MUSE présenté en Phase A est lui-même constitué de : • Un miroir découpeur. Le plan focal du télescope est imagé sur ce dernier à l’aide
d’une optique d’entrée placée au niveau de la pupille du télescope. Le miroir découpeur forme l’image de la pupille du télescope à 750 µm en amont de la barrette de lentilles pupille où un masque pupille est placé. Les angles des slices réarrangent les pupilles intermédiaires sur deux lignes disposées en quinconce. Chaque slice présente des angles différents suivant les deux axes x et y. Les tolérances de fabrication sur le centre de courbure des slices sont de ±50 µm suivant l’axe x (soit un angle de 9 secondes d’arc) et ±100 µm suivant l’axe y (soit un angle de 18 secondes d’arc).
Etant donné que toutes les slices ont le même rayon de courbure (R = 604.63 ± 0.75 mm), elles sont décalées suivant l’axe z afin de réarranger les pupilles intermédiaires sur un même plan. Le miroir découpeur est composé de 38 slices. Chaque slice mesure 81 mm de long et 1.59 mm de large (Figure 4- 4). Le rapport longueur/largeur est de 50. La distance moyenne entre le miroir découpeur et la lentille d’entrée L1
est de 600 mm. Figure 4- 4 : Caractéristiques du découpeur d’images MUSE
• La lentille d’entrée L1. Afin de rendre parallèles les faisceaux incidents arrivant sur les lentilles fente, il a été imaginé d’insérer des mini prismes d’épaisseurs différentes derrière les lentilles pupille (Figure 4- 5). A l’aide du logiciel de tracé de rayons Zemax, ces mini prismes peuvent être approximés par un doublet placé à 14.7 mm devant les lentilles pupille. Le foyer de ce doublet, noté L1, coïncide avec le miroir découpeur.
Figure 4- 5 : Illustration de l’implantation de la lentille d’entrée L1
• Une barrette de lentilles pupille (PLR). Le couple PLR – L1 forme une image des slices de qualité médiocre à 750 µm de la barrette de lentilles fente où un masque est placé. La PLR est composée de 38 mini lentilles identiques arrangées en deux lignes disposées en quinconce. Chaque lentille plan-convexe est carrée (7.326×7.326 mm) et a une épaisseur de 5.6 mm (Figure 4- 6).
• Une barrette de lentilles fente (FLR). Cette barrette réimage chaque pupille intermédiaire à l’infini de manière à recombiner une pupille unique. Elle ressemble très fortement à la PLR de part leurs dimensions géométriques identiques. Chaque lentille est un ménisque d’épaisseur 17.9 mm. La distance entre PLR et FLR est de 40.59 mm (Figure 4- 6).
• Une lentille de sortie L2. Cette lentille joue un rôle similaire à L1. De plus, ce doublet compense le chromatisme axial du système découpeur d’images et crée une image virtuelle de la pseudo fente localisée entre la FLR et la L2.
Figure 4- 6 : Formes géométriques d’une lentille pupille et fente
Un des problèmes de ce découpeur d’images est que les faisceaux optiques provenant d’une slice supérieure n’arrivent pas avec la même incidence sur les lentilles pupilles que les rayons venant d’une slice située au centre. Les pupilles intermédiaires et les mini fentes sont alors disposées en escalier dans leurs plans respectifs. Un calcul simple du premier ordre montre qu’une rotation d’un angle ψ autour de l’axe optique des rangées de mini lentilles permet de résoudre ce problème. L’angle de compensation est donné par la formule
P S S d 2d γ ψ≈− où dS
est la hauteur d’une slice, dP la largeur d’une mini lentille et γS le grandissement du découpeur d’images. Dans le cas de MUSE, chaque barrette de mini lentilles doit être tournée de 1.07 ° autour de l’axe z. La fente est alors parallèle à l’axe x mais on constate que l’écart entre chaque mini fente n’est plus constant (Figure 4- 7).
Figure 4- 7 : Illustration de l’effet de la rotation autour de l’axe z sur l’écart entre les mini fentes
Le centre de chaque mini-lentille a subi une rotation. Le décalage suivant l’axe x du centre des lentilles dépend de sa distance par rapport au centre de rotation. Ce décalage peut être calculé analytiquement. On note X0 la position du centre des lentilles suivant l’axe x avant la rotation, la position du centre suivant l’axe y est soit Y0 pour la rangée du haut, soit –Y0 pour la rangée du bas et le centre de rotation est au centre du repère.
Après la rotation, on obtient :
Pour la rangée du haut : Pour la rangée du bas :
θ θ sin cos 0 0 Y X X = − X = X0cosθ +Y0sinθ θ θ cos sin 0 0 Y X Y = + Y =X0sinθ −Y0cosθ
En considérant θ petit, les formules précédentes se simplifie comme suit :
Pour la rangée du haut : Pour la rangée du bas :
θ 0 0 Y X X = − X = X0 +Y0θ 0 0 Y X Y = θ + Y =X0θ −Y0
Le terme X0θ permet de compenser l’effet d’escalier. Pour retrouver un écart constant entre les mini fentes, il faut donc translater la rangée du haut d’une quantité Y0
θ
soit 67 µm suivant l’axe x et la rangée du bas d’une quantité −Y0θ correspondant à – 67 µm suivant l’axe x. Les spécifications de haut niveau du découpeur d’images MUSE sont rassemblées dans le Tableau 4- 1.Tableau 4- 1 : Spécifications d’entrée/sortie du système découpeur d’images de MUSE