L'imageur interférométrique de Fresnel: un instrument spatial pour la haute résolution angulaire

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1 L'imageur interférométrique de Fresnel: un instrument spatial pour la haute résolution angulaire Denis Serre, Laurent Koechlin, Paul Deba 1: Principe optique d un imageur de Fresnel 1.1: principe d un réseau de Fresnel 1.2: extension à deux dimensions 2: Performances, avantages, difficultés 2.1: points forts 2.2: difficultés à résoudre 2.3: schéma optique d achromatisation 3: Projets de développement 3.1: perspectives 3.2: préparation du moyen et long terme Laboratoire d Astrophysique de Toulouse - Tarbes Journée de prospective spatiale du PNG - 20 Novembre 2006

2 1.1: principe d un réseau de Fresnel foyer Plans d onde incidents lentille (ou miroir) : focalisation par réfraction (ou réflexion) réseau de Fresnel : focalisation par diffraction et interférences Ordre 0 Ordre 1 foyer Plans d onde incidents

3 1.2: extension à deux dimensions Réseau à motifs circulaires : Lentilles de Soret (1875) Efficacité dans l'ordre 1 : 10% Exemple: lentille circulaire à 15 zones PSF circulaire

4 1.2: extension à deux dimensions lentille circulaire, psf circulaire géométrie circulaire: transmission = g(ρ) affichage en puissance 1/4

5 1.2: extension à deux dimensions lentille orthogonale, psf orthogonale géométrie orthogonale: transmission = g(x) g(y) affichage en puissance 1/4

6 1.2: extension à deux dimensions Formation d une image: si point émissif ailleurs dans le champ:

7 1.2: extension à deux dimensions Formation d une image: si point émissif ailleurs dans le champ:

8 1.2: extension à deux dimensions Formation d une image: si point émissif ailleurs dans le champ:

9 2.1: points forts Imageur avec résolution angulaire équivalente à une ouverture pleine de même dimension Pas de composant optique pour focaliser: juste du vide ou matériau opaque Zones opaques connexes => cohésion mécanique Relâchement des contraintes de fabrication et déploiement: Masse très inférieure à celle d'un miroir pour une dimension donnée Pour un front d onde à λ/20 dans le visible: Soit un miroir avec précision de surface à µm (qualité λ /40), soit un réseau de Fresnel à positionnement et découpe des ouvertures dans le plan grille à précision typ. 250 µm (chaque zone de Fresnel bloquant ou laissant passer la lumière en phase modulo 2 pi) réseau de Fresnel: tolérance de tilt de typ. 0.5 degré (le front d onde est régi par la projection de la grille dans le plan orthogonal à l'axe optique) Imagerie à haute dynamique possible hors aigrettes «Focalisation» effective dans grand domaine de longueurs d onde (100nm à 10-20µm) => Possibilité de réaliser de (très) grandes ouvertures dans l espace

10 2.2: difficultés Transmission au foyer de l ordre de 4% à surface donnée Très longues focales: typiquement 500m à 20km => utilisation dans l espace avec un vol en formation à deux modules Aigrettes de diffraction dans l image: avantage dans certains cas, mais peut limiter la dynamique dans le cas d objets très étendus Fort chromatisme inhérent au réseau, mais corrigé par optique appropriée: λ f = Constante

11 2.3: schéma optique d achromatisation Grille de Fresnel primaire Optique de champ lentille de Fresnel divergente blazée : ordre -1 optique convergente de reprise d image rayons venant de la lentille primaire plan image 1 dispersé plan pupille plan image 2 corrigé Module 1: réseau primaire Module 2: achromatisation et instrumentation focale 11 / 23

12 3.1: Perspectives Maquette sol actuelle (R&T CNES, ouverture de 8cm de côté, avec optique focale): Résolution limite atteinte dans tout le visible 2006 Dynamique attendue de , mesurée actuellement de Imagerie de sources simulées de différents contrastes Grille primaire haute transmission Maquette sol à venir: 2007 Augmentation de diamètre Tests sur sources astrophysiques réelles Propositions de phase 0 d un démonstrateur de petites dimensions en concertation avec ingénieurs du CNES en cours Projet de grandes dimensions (15, 30m ) en idée

13 3.2: Perspectives: préparation du moyen et long terme Personnes contactées de visu et par mail: Instrumentation: Pierre Léna, obspm Guy Monnet, ESO Denis Mourard, OCA Farrokh Vakili, LUAN Système solaire: Yves Langevin, IAS Patrick Michel, OCA Physique Stellaire et exoplanètes: Anne-Marie Lagrange, UJF Margarita Karovska CfA (USA) Pascal Fouqué, OMP Galaxies & cosmologie Roser Pello, OMP Yoshiaki Taniguchi, Japon Développements: Continuer l accrétion d une masse «critique» de chercheurs Elaboration de plusieurs missions-types Proposition de phase 0: étude d un démonstrateur dans un cadre national (CNES) Proposition dans un cadre international pour un dispositif de grandes dimensions (15, 30m )

14 Fin Field-resolution ratio progresses for interferometric arrays Koechlin, L. ; Serre, D. ; Duchon, P. 2004SPIE K (2004) High resolution imaging with Fresnel interferometric arrays : suitability for exoplanet detection Koechlin, L. ; Serre, D. ; Duchon, P. Astronomy & Astrophysics, v.443, p (2005)

15 2.1: points forts

16 3.0: Maquette au sol: validation du concept Financement sur contrat R&T du CNES depuis octobre 2005 Réseau primaire de 80mm de côté, 58 zones, ouvertures Focale: Optique d achromatisation complète depuis début octobre 2006 (réception de la lentille correctrice blazée) Évaluation des performances en cours: Résolution limite atteinte de 500 à 780nm Dynamique attendue de , actuellement mesurée à Exemples d images obtenues: Image d'un Image d'un Image d une trou source disque "quasi" mire "galaxie" Ø =0,8 " d'arc uniforme 72 " d'arc Ø =32 " d'arc