d Ouverture Frédéric Cassaing

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1 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 1 La Synthèse d Ouverture Optique Frédéric Cassaing ONERA/DOTA/HRA Office National d Etudes et de Recherches Aérospatiales Département d Optique Théorique et Appliquée unité Haute Résolution Angulaire 92 Chatillon Frederic.Cassaing@onera.fr Tél :

2 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 2 Plan de l expos exposé Principes de la Synthèse d Ouverture Optique (SOO) Techniques spécifiques Principaux types d instruments Reconstruction de l objet Conclusion

3 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 3 Remplacer une pupille de diamètre B (a) par des sous-pupilles de diamètre D réparties sur zone de diamètre B offrant une résolution comparable à (a). B Définition de la SOO D D θ (a) (b) (c) (b) Fixes : ``télescope multi-pupilles'' ou ``réseau de télescopes'' (c) Mobiles par rapport à l'objet : ``Synthèse d'ouverture Optique'' Techniques similaires SOO par la suite

4 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 4 De la SOO? Four solaire d Odeillo Flotte romaine à Syracuse (214 av JC) Intérêt t des systèmes multi-pupilles Feu tricolore à LED

5 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 5 Notion de cohérence Détection optique du champ électrique E I=< E ²> Recombinaison de E 1 et E 2 : I=< E 1 +E 2 ²> = < E 1 ²> + < E 2 ²> + 2Re(<E 1.E 2 *>) Deux cas : <E 1.E 2 *> = 0 Cas incohérent I=< E 1 ²> + < E 2 ²> = somme des intensités <E 1.E 2 *> 0 Cas cohérent I = somme des intensités + franges d interférences En pratique : E 1 et E 2 cohérents issus de la même source Cohérence temporelle : différence de trajet < L c =λ²/δλ Cohérence spatiale : extension de la source < λ/b

6 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 6 Impact d une pupille discontinue Instrument d optique = filtre passe-bas Caractérisé par sa fonction de transfert, déduite de l autocorrélation de la pupille Exemple (en 1D) : Une pupille Deux pupilles cohérentes

7 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 7 Exemple λ/b λ/b λ/d Une pupille optimisée, même me très lacunaire, peut fournir une image équivalente à celle d une pupille pleine

8 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 8 Techniques de recombinaison : 1) «Michelson» Superposition des faisceaux par une lame séparatrice Nombre de faisceaux = 2 Mesure dans le plan pupille Modulation temporelle de la différence de marche 1 2 I (t 1) I (t 2) I (t 3) Φ(t) Observables : visibilité et phase des franges

9 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 9 Techniques de recombinaison : 2) «trous d Young» Superposition des faisceaux avec un léger angle Nombre de faisceaux : quelconque Mesure dans le plan focal Modulation spatiale intrinsèque de la différence de marche Observable : Image(x,y)

10 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 10 Le pointage en SOO Ligne à retard grande course indispensable si pointage individuel

11 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 11 Le cophasage : principe But : corriger basculement + piston sur les sous-pupilles (origines : défauts d alignements, turbulence, vibrations) (cf optique adaptative) Surface d onde déformée pleine pupille Surface d onde déformée vue par des sous-pupilles Surface d onde en SOO pistons + tilts Analyseur de surface d onde senseur de cophasage. Particularité : pupille discontinue interférométrie Correcteurs : ligne à retard (piston), miroirs de pointage (tip/tilt)

12 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 12 Les capteurs de cophasage Analyseurs de surface d onde classiques : Mesure de pente ou de courbure : inadapté en SOO Fonctionnent souvent avec un objet ponctuel Mesure de phase sur une pupille discontinue : Technique interférométrique nécessaire (usuellement : plan pupille + modulation) Gestion des sauts de franges (mesure polychromatique) Sur objet étendu : plan pupille peu exploitable Analyseurs de surface d onde spécifiques en SOO

13 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 13 Un capteur de cophasage : la diversité de phase Mesure de 2 images Plan focal Plan extra-focal Recherche de L aberration inconnue L objet inconnu Problème inverse (résolution usuelle itérative) Mesure temps-réel : nouvelle méthode Onera demande de brevet Pupille Image focale Image extra-focale

14 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 14 Instruments de type Fizeau Principe: sous-pupilles = portions d un primaire fictif Historique: masque de Fizeau (1868) Mise en œuvre : Enregistrement de l image focale Déconvolution Particularités : Grand champ possible L ~ B Cophasage segments B L D

15 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 15 Exemples d instruments de type Fizeau KECK (Hawaii, B=10m, 36 segments D=1.8m) JWST (6m)

16 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 16 Principe: sous-pupilles = télescopes élémentaires, indépendants Historique: Labeyrie (1974) Mise en œuvre : Enregistrement de visibilités (complexes) Reconstruction numérique de l objet (ajustement de modèle) Particularités : B >> D Instruments de type Michelson Synthèse par rotation terrestre Ligne à retard de grande course Champ limité par le modèle En pratique, 1 à quelques λ/d D1 D2

17 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 17 Exemples d instruments de type Michelson I2T 1995 (Nice, D=25cm) VLTI (4xD=8m/1,8m,B=200m)

18 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 18 Instruments de type coronographe interférom rométrique Principe : transmission nulle par interférence destructive Historique : Bracewell (1978) Mise en œuvre : Création d une frange noire achromatique Étoile frange noire Planète frange blanche Particularité : Données très lacunaires nul E1=-E2 parfaite symétrie Cophasage critique (λ/1000) D π

19 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 19 Exemple de coronographe interférom rométrique Pegase (projet CNES 2004) spectrométrie d exo-planètes 200 m Persée (réalisation CNES ) banc de validation au sol

20 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 20 Télescopie de Fourier : principe réception détection X On éclaire l objet de manière structurée (sinusoïde) On collecte tous les photons reçus sur un mono-détecteur On mesure donc une fréquence spatiale de l objet En pratique, modulation temporelle (défilement des franges). émission (L. Mugnier, ONERA/DOTA)

21 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 21 Principe : éclairage laser de la scène + mesure cohérente Historique : techniques radio (Synthetic Aperture Radar) Mise en œuvre : Eclairage laser Détection hétérodyne Déplacement de l optique Reconstruction numérique Particularité : Cophasage numérique DOTA/SLS Instrument de type SAR SAR optique

22 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 22 Principe: sous-pupilles = télescopes élémentaires, liés Historique: MMT (1979) Mise en œuvre : Télescopes élémentaires + périscopes + recombinaison Enregistrement plan focal Grand champ possible (homothétie pupillaire) Déconvolution Particularités : Réseaux imageurs de télescopes Cophasage des faisceaux après réduction D L B

23 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 23 Exemple de réseaux imageurs de télescopes MMT MIDAS (Bmax=1,5m, D=0,35m) LBT (Bmax=20m, D=8m)

24 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 24 Réseaux de télescopes «galette» Principe: réseau de télescopes aminci au maximum Historique: ONERA (2004), brevet (2007) Mise en œuvre : Enregistrement d une image focale, déconvolution Ou émission laser, recombinaison incohérente Particularités : Structure planaire L~D << B Cophasage passif si B petit D L B

25 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 25 Exemple de réseaux de télescopes «galette» Validation du concept sous Zemax Champ : jusqu à x pixels dans le visible Démonstrateur prochainement?

26 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 26 Reconstruction d objet pour un interférom romètre stellaire Exemple : étoile = disque uniforme de diamètre α visibilité = 2J 1 (x)/x où x proportionel à αb/λ α se déduit des visibilités mesurées à différentes bases visibilité 1 0 Base

27 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 27 Reconstruction d objet pour un interférom romètre stellaire : résultats Wisard (Concours international 2004) Objet Couverture fréquentielle Objet vu par un 100m Reconstruction L2 Reconstruction L1-L2 Modélisation myope des données A priori «spike-preserving» S. Meimon & L. Mugnier, ONERA/DOTA

28 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 28 Reconstruction d objet pour un interférom romètre imageur/1 L. Mugnier, ONERA/DOTA Pupille FTO Vue 3D Objet (scène observée)

29 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 29 Reconstruction d objet pour un interférom romètre imageur/2 Un seul télescope élémentaire Interféromètre complet Télescope monolithique équivalent Image restaurée («edge-preserving») Points-clés : Conception de régularisations adaptées Prise en compte fine de la statistique du bruit Prise en compte d une connaissance imparfaite de l instrument La conception système doit optimiser la chaine complète instrument + traitements

30 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 30 Optimisation de configuration pupillaire par approche «planification d exp expérience» Config. initiale (Golay 9) Configuration et critère minimisé FTO initiale FTO optimisée

31 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 31 Conclusion Synthèse d Ouverture Optique : Idée introduite il y a fort longtemps! Instruments multi-pupille fréquents en radio-fréquence Nombreuses applications, limitées par les perturbations MAIS en raison des Evolutions techniques : lasers, capteurs, ordinateurs, cophasage Besoins opérationnels croissants : résolution, compacité La synthèse d ouverture optique apparaît comme solution viable Résultats en interférométrie stellaire depuis quelques années Projets astronomiques spatiaux ambitieux (ESA, CNES) SOO considérée pour l observation de la Terre (orbite GEO)