Optimisation des analyseurs de front d'onde à filtrage optique de Fourier - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Optimization of Fourier-based wavefront sensors.

Optimisation des analyseurs de front d'onde à filtrage optique de Fourier

Résumé

Europe is currently preparing the largest telescope of the world: the E-ELT (European Extremely Large Telescope). Planned by 2026, this huge telescope (diameter: 39 m) will allow to answer fundamental questions of contemporary astrophysics by imaging exoplanets or studying large scales of universe. However, images of astrophysical objects done by ground based telescopes suffer from the distortion caused by the atmospheric turbulence which reduces the capacity of instruments to distinguish objects too close to each other. The Adaptive Optics (AO) is a technique which allows to restore this loss of angular resolution by correcting the effects of atmospheric turbulence. In operation on several astronomical observatories for almost 20 years, it is now applied to other domains where imaging suffers from inhomogeneous media as cellular microscopy, ophthalmology, functional imaging, etc. This technology is based on a deformable mirror which corrects in real time the incoming wave front by using information coming from a sensor which measures the turbulent phase called "WaveFront Sensor" (WFS). Until very recently, the great majority of AO systems had used the Shack-Hartmann WFS. New concepts based on Fourier filtering have however just been put in operation in several professional observatories and their results seem to outperform the Shack-Hartmann. We mention in particular the Pyramid WFS which provides images with an astonishing quality at the Large Binocular Telescope or the Zernike WFS which allows to considerably improve the performance of the exoplanets imager at the Very Large Telescope. In spite of these instrumental achievements, these Fourier based WFSs are still lacking of maturity. Since they would potentially be chosen for the AO systems of the future Extremely Large Telescopes, this thesis aims to consolidate their theoretical understanding and to optimize these Fourier based WFSs. We firstly developed a mathematical framework where the optical theories of diffraction are applied to the Fourier based wave front sensing. Resulting in general equations, it allows to describe all the WFSs based on this concept (as Pyramid and Zernike WFSs). They are, for the first time, unified under the same formalism. Secondly we developed a common performance criteria following the usual requirements of astronomical adaptive optics in order to rigorously compare these sensors. Another consequence of this theoretical framework's development is then introduced to test new WFSs which derive from the pre-existent designs. It allows us to introduce the notion of "WFSs class" which consists in a generalization of the existing sensors with original parameters which become flexible: from two Zernike and Pyramid WFSs we get an infinity of sensors in the Zernike's and Pyramid's WFSs classes. We then explored these two classes using both numerical simulations and analytical approach. The objective was to identify the influence of class' parameters on performance criteria in order to optimize optical designs with regard to the instrumental requirements. New configurations of the Pyramid class, that we called "Flattened pyramids", show promising behaviors and are studied in details. The thesis ends with the presentation of an optical bench able to generate almost all of the Fourier based WFSs which would allow to validate experimentally the predicted theoretical results.
L'Europe prépare actuellement le plus grand télescope du monde : l'E-ELT (European Extremely Large Telescope). Prévu vers 2026, ce télescope géant (diamètre: 39 m) permettra de répondre à des questions fondamentales de l'astrophysique contemporaine, depuis l'imagerie d'exoplanètes jusqu'à l'étude des grandes échelles de l'univers. Cependant, l'imagerie d'objets astrophysiques depuis des télescopes au sol est fortement perturbée par l'effet des mouvements de masses d'air dans l'atmosphère réduisant ainsi la capacité des instruments au sol à distinguer deux objets proches. L'Optique Adaptative (OA) permet de restaurer cette résolution angulaire en corrigeant les effets de la turbulence atmosphérique. Cette technique, en plein essor en astronomie, s'exporte d'ailleurs actuellement aux nombreux autres domaines où l'imagerie pâtit d'un milieu inhomogène spatialement et temporellement comme la microscopie cellulaire, l'ophtalmologie, l'imagerie fonctionnelle, etc. Cette technologie s'appuie sur un (ou plusieurs) miroir(s) déformable(s) qui corrige(nt) en temps réel le front d'onde incident en utilisant les données provenant d'un (ou plusieurs) instrument(s) de mesure de la phase turbulente appelé "Analyseur de Surface d'Onde" (ASO). Jusqu'à très récemment, la grande majorité des systèmes d'OA utilisaient des ASO de type Shack-Hartmann. Des concepts concurrents basés sur le filtrage optique de Fourier viennent cependant d'être mis en fonctionnement dans plusieurs observatoires professionnels et leurs résultats semblent surpasser les performances du Shack-Hartmann. On mentionne notamment le senseur Pyramide qui a fourni des images d'une qualité sans précédent depuis le sol au Large Binocular Telescope ou l'analyseur Zernike qui a permis d'améliorer considérablement les performances de l'imageur d'exoplanètes du Very Large Telescope. En dépit de ces prouesses instrumentales, ces senseurs manquent encore de maturité et le retour sur expérience des systèmes opérationnels reste très faible. En vue de leur potentielle utilisation sur les Extremely Large Telescopes, cette thèse vise à consolider leur compréhension théorique ainsi qu'à optimiser ces ASO basés sur le filtrage de Fourier. Est développé dans un premier temps un cadre mathématique où les théories de diffraction optiques sont appliquées à l'analyse de front d'onde par filtrage de Fourier. Les équations très générales qui en émergent permettent de décrire tous les ASO basés sur ce principe (tels les ASO Pyramide et Zernike) qui se trouvent ainsi pour la première fois rassemblés sous un unique formalisme. Dans un second temps sont développés des critères de performance communs inspirés des besoins de l'optique adaptative astronomique en vue d'une comparaison rigoureuse de ces senseurs. Une conséquence logique de l'effort théorique précédent est ensuite présentée : puisqu'un cadre de comparaison existe pourquoi ne pas en profiter pour tester de nouveaux ASO qui seraient par exemple générés à partir des designs préexistants ? De ce questionnement apparaît ainsi naturellement la notion de "classe d'analyseurs de front d'onde" qui consiste en une généralisation des senseurs existants pour lesquels des grandeurs à l'origine fixées deviennent des degrés de liberté : des deux ASO Zernike et Pyramide, se dégage une infinité de dispositifs en les classes d'ASO de Zernike et de la Pyramide. Celles-ci sont ensuite explorées analytiquement et via des simulations numériques. L'objectif est d'identifier quel paramètre de classe joue sur quel critère de performance afin d'envisager une optimisation des designs optiques au regard des attentes instrumentales. Des configurations inédites de la classe Pyramide, ASO que l'on appelle "Pyramides aplaties", s'avèrent notamment très prometteuses et font l'objet d'une étude plus poussée. L'exposé se conclut par la présentation d'un banc optique capable de simuler la quasi-totalité des ASO à filtrage de Fourier ce qui permettrait de valider expérimentalement les résultats théoriques prédits.
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  • HAL Id : tel-01695318 , version 1

Citer

Olivier Fauvarque. Optimisation des analyseurs de front d'onde à filtrage optique de Fourier. Optique [physics.optics]. Aix-Marseille Université; Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01695318⟩
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