Optiques adaptatives: état de l art et défis pour les télescopes de faibles diamètres. L. Jocou 26 octobre 2009

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1 ALPAO Optiques adaptatives: état de l art et défis pour les télescopes de faibles diamètres L. Jocou 26 octobre 2009

2 Plan Principe de l optique adaptative Revue des solutions techniques Systèmes existant Quel système d OA pour petits télescopes Quelles spécifications Conclusion

3 Principe de l OA 3 éléments fonctionnant en boucle: un senseur pour mesurer la «qualité» Étoile lointaine un correcteur de front d onde Sans optique Adaptative un ordinateur faisant le lien entre le correcteur et l ordinateur Lame séparatrice Miroir déformable Signal Utile Objectifs: Imagerie haute résolution Optimisation couplage (spectro) Avec optique Adaptative Signal d asservissement

4 Description des éléments principaux Note préliminaire: Impossible faire une revue exhaustive de tous les senseurs et correcteurs existant.

5 Les senseurs de front d ondes Critères de choix: Pyramide ShackHartmann Facilité de misecourbure en oeuvre Efficacité Coût Couteau

6 Les senseurs de front d ondes Pyramide ShackHartmann Courbure Couteau

7 Les senseurs de front d ondes Plaque de Hartman* Position du centre de gravité de chaque spot Mesure des pentes locales Reconstruction du front d onde par intégration *D après Technology Tracking

8 Quelques détails d un S.H Grandeurs typiques des microlentilles: Avantages: Focale: quelques millimètres Vitesse Distance entre deux lentilles: qq. 100µm Précision Coût/efficacité Simple Inconvénients Suss MicroOptics Résolution fixe (dépendant da la trame de µlentilles) Implémentation par l utilisateur Flux dilué Solutions existantes (Thorlabs, ALPAO, ) Dynamique (spots voisins) 1000

9 Les correcteurs en transmission Transmission: lentilles variables Avantages: Compacité Facilité de mise en œuvre Faible consommation Coût D après: Inconvénients focus uniquement diamètre faible ARCTIC 416 de Varioptic Adapté à l OA petits télescopes:

10 Les correcteurs en réflexion Grand nombre de technologies disponibles Choix de traiter les miroirs continus ( segmentés)

11 Les correcteurs en réflexion Piezoélectrique: Monomorphe et bimorphe bimorphe semipassif/monomorphe bimorphe parallèle D après Technology Tracking, IOP Diamètre = 98 mm Tenue au flux = 6 GW.cm2 (testé à ~2J/cm2) Actuateurs = 30+1 Revêtement diélectrique Excursion = 6 λ Avantages: actionnement puissant qualité optique (membrane épaisse) adaptée au laser de puissance Inconvénients D après Cilas Adapté à l OA petits télescopes: hystérésis taille haute tension

12 Les correcteurs en réflexion Piezoélectrique: empilé (stacked) Stack Array Mirror: δ z = N * d 33 *V Site Cilas SAM 349 de Xinetics Avantages: Principe (d après Cilas) Force Distance entre deux actionneurs: 3 à 5mm Inconvénients Phénomène d hystérésis (céramique PZT) Coût Nombre actionneurs: ~50 à ~4000 Hystérésis Course (10µm) Adapté à l OA petits télescopes: Haute tension (qq. 100V)

13 Les correcteurs en réflexion Electrostatique (techno. Microélectronique) Force proportionnelle au carré de la tension: F ~ V² δz ~ V² Avantages: Coût (procédé collectif) Compacité Faible course: 1er étage requit pour bas ordres (Boston Micromachines) Nombre d actionneurs Vitesse Inconvénients Course Non linéaire Adapté à l OA petits télescopes: Haute tension

14 Les correcteurs en réflexion Magnétique Membrane continue (avec traitement de surface) 15mm HiSpeed dm97 (ALPAO):Distance entre deux actionneurs: 1.5mm Forces magnétiques Avantages: Compacité Course (tiptilt) Linéarité Bande passante Basse tension Course 3x3 > 20µm (miroir) Pousser/Tirer >1µm Adapté à l OA petits télescopes: Inconvénients Nombre d actionneurs limité Coût

15 Le contrôle du système Fonctions: Acquiert le signal issu du senseur de front d ondes Calcul le front d onde Calcul la commande à appliquer au correcteur (reconstructeur) Envoie la commande au miroir Alpao Choix d un reconstructeur Modal: > décomposition en mode Ex: Zernike Zonal: > matrice d interaction > pente du senseur FO Correction Calibration nécessaire! Cilas Solutions existantes: Thorlabs (?), ALPAO (matlab, labview!)

16 Les systèmes existant Systèmes SBIG: système incluant ou non le détecteur AO8 Pas de correction du front d ondes: Contrôle de déplacement de l image: Défauts de guidage Correction des 1ers ordres de l atmosphère (tiptilt) Fréquence: 10 corrections/secondes coût: 1000 à 1500

17 Quel système pour l OA amateur? Spécifications du système: 1ère question: que souhaite t on corriger? 3 options possibles Correction 1er ordre AO bas ordres AO Hauts ordres

18 Quel système d OA: tiptilt Mêmes objectifs que les systèmes SBIG!! Quelles améliorations à apporter? Sensibilité (faible flux) Rapidité (???) Utilisation de diodes à avalanche senseur de position type 4 quadrants Améliorations possibles mais impact sur le coût SBIG bien placé (détecteurs)

19 Quel système d OA: système bas ordre Correction des bas ordres Défaut de guidages Défauts du miroir Déformations structure télescope 1ers ordres de l atmosphère Miroir: peu d actionneurs (ALPAO) Senseur type ShackHartman PC standard Coût et complexité très dépendant des spécifications Systèmes existant ( 30k!) : Thorlabs, ALPAO ALPAO

20 Quel système d OA: Hauts ordres Correction haut ordres Haut ordres = beaucoup d actionneurs ShackHartman sensible (dilution du flux) Miroir (ALPAO, Boston Micromachines) PC standard Système existant (ALPAO) : banc d OA sur table (60x50cm) Camera EMCCD (3e de bruit) Bande passante boucle > 450Hz Miroir 97 actionneurs ou plus

21 Autres spécifications? Correction bas et haut ordres Améliorations possibles quel marché? Correction bas et haut ordres Quel objectif (imagerie, spectro) Pour quelle télescopes (200, 400 mm) Conception du système pour quelle atmosphère Quel type d objet (étendu, magnitude) Quel coût visé/quels utilisateurs (grand public ou clubs)

22 Limitations/difficultés intrinsèques Champ limité: Anisoplanétisme Calibration du système (réponse du miroir) Robustesse (accroche de la boucle) Cas d un objet étendu

23 Conclusion Briques techno. mures pour l OA petits télescopes Pas le système Spécifications difficiles à établir: diversité du marché Marché difficile à cerner Limitations intrinsèques (anisoplanétisme) Développement à mener pour arriver à un produit fini (2 ans pour un produit mature) Première étape possible: AO bas ordre pour optimisation couplage spectro

24 Merci pour votre attention! Je suis à votre disposition pour toutes vos questions!