FR2615002A1 - Systeme optique de correction par reseau actif pour telescope - Google Patents

Abstract

TELESCOPE 30 POURVU D'UN SYSTEME DE CORRECTION DE SES DEFAUTS DYNAMIQUES ET STATIQUES COMPRENANT UN MIROIR PRIMAIRE 31, UN MIROIR SECONDAIRE 32 COAXIAL AVEC LEDIT MIROIR PRIMAIRE, ET UN TRAIN D'OPTIQUES 35 A LA SORTIE DU MIROIR SECONDAIRE; UN MIROIR DEFORMABLE 34 A DEFORMATION COMMANDEE SITUE SUR LE FAISCEAU DE SORTIE DU MIROIR SECONDAIRE; UN SENSEUR 42 SUR LE FAISCEAU DE SORTIE DU MIROIR PRIMAIRE ET DES MOYENS DE COMMANDE 43 COMMANDES PAR LEDIT SENSEUR ET COMMANDANT LA DEFORMATION DU MIROIR DEFORMABLE, CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND EN OUTRE : - UNE SOURCE LUMINEUSE 37 MONTEE SUR LE TELESCOPE; - DES MOYENS 40 DE SUPERPOSER LE FAISCEAU SONDE EMIS PAR LA SOURCE AU FAISCEAU DE SORTIE DU TELESCOPE, D'OU IL RESULTE QUE LE FAISCEAU SONDE EMIS PAR LA SOURCE SE PROPAGE DANS LE TELESCOPE, DANS LE SENS INVERSE D'UN FAISCEAU EN PROVENANCE D'UN POINT DE VISEE DU TELESCOPE; ET - UN RESEAU HOLOGRAPHIQUE 41 DEPOSE SUR AU MOINS UNE PARTIE DE LA SURFACE REFLECHISSANTE DU MIROIR PRIMAIRE, PERMETTANT DE PRELEVER UNE FAIBLE PARTIE DE L'ONDE SONDE, DE LA DIFFRACTER ET DE LA FOCALISER SUR LE SENSEUR.

Description

Systeme Optique de Correction-par
Reseau Actif pour Télescope
La presente invention concerne un système de correction des defauts des telescopes et les telescopes munis d'un tel système. Plus particulierement elle concerne des systemes de correction de defauts comprenant un miroir deformable à deformation commandée. L'obstacle principal rencontre dans la réalisation de télescopes de grand diametre est l'obtention d'une qualité optique satisfaisante. Le profil des miroirs doit être contrôlé a une fraction de longueur d'onde pres, soit le centieme de micron pour le visible.Ainsi, la plupart des télescopes astronomiques actuels utilisent des miroirs présentant un rapport épaisseur/diamètre élevé et un support mécanique adapté pour tenir compte des déformations du miroir primaire sous l'effet de son propre poids et des sollicitations thermiques. Ces télescopes sont lourds et encombrants.

Par ailleurs, si on envisage la réalisation de télescopes de très grand diamètre - typiquement 10 m - il faut également considérer la durée de fabrication qui comprend notamment le temps de refroidissement du disque de verre apres coulage et le temps de polissage ; cette durée est de plusieurs années.

Afin de réduire le poids du télescope, en particulier en vue de l'embarquement sur un véhicule spatial, une solution consiste à utiliser un miroir primaire constitué par une mosaSque de miroirs élémentaires ou un miroir primaire monobloc présentant un rapport épaisseur/diamètre plus faible, et a corriger les déformations résultant de la plus grande déformabilité au moyen d'un systeme optique adaptatif.Un miroir pour optique adaptative formé d'une mosaSque de miroirs élémentaires est connu d'apres l'ouvrage de John
W. HARDY, "Active optics : a new technology for the control of light";
Proceedings of the IEEE, Vol.66, N"6, June 1978, pages 6?4-675. Un miroir monobloc pour optique adaptative est connu d'apres la demande de brevet francais n s- o6lob déposée le 6 mai 1987 au nom de l'actuel demandeur.

Un systeme optique adaptatif comprend deux ensembles principaux
- un dispositif de mesure des déformations a corriger, et
- un systeme de correction de ces déformations.

L'analyse des déformations peut être effectuée au moyen de senseurs classiques tel celui de Hartmann-Shack ou en utilisant un miroir déformable par la technique de type C.O.A.T. (voir l'ouvrage précité de John W. HARDY, Page 665).

Le système de correction peut être constitué soit par le miroir primaire déformé de maniere convenable au moyen de moteurs asservis, soit par un autre miroir déformable de plus petit diamètre et de plus faible inertie, soit par un composant optoélectronique capable de produire des modulations spatiales de la phase.

La commande de ces systèmes peut être réalisée en utilisant une partie du flux émis par l'objet, ou rtrodiffusé par celui-ci dans le cas où on envisage de l'éclairer avec un laser.

Le bilan de liaison est alors faible, voire insuffisant, et la bande passante éventuellement limite par la durée du trajet.

On considère tout d'abord un télescope classique. Lors d'observation d'objets éloignés -étoiles par exemple- l'onde lumineuse provenant du point observé est d'abord réfléchie par le miroir primaire, puis par le miroir secondaire ; elle est ensuite reprise par un train d'éléments optiques pour être focalisée sur un détecteur -oeil, plaque photographique, caméra vidéo ou CID ou CCD par exemple.

Pour pouvoir utiliser l'instrument aux limites ultimes de ses performances (la diffraction optique!, il faut pouvoir le corriger de tous ses défauts, d'une part les aberrations géométriques (défauts statiques), d'autre part les déformations mécaniques et thermiques (défauts dynamiques).

La méthode habituellement utilisée nécessite l'emploi d'une source de référence à l'infini, en général une étoile, dont l'image est formée à travers le télescope et le train d'optiques. Entre la dernière optique et le plan de visualisation, on dispose un diviseur de faisceaux qui prélève une partie de l'onde incidente, celle-ci étant ensuite analyse par un système du type Hartmann-Shack (voir
Fig. ] ; voir également : "The ESO off line telescope testing technique illustrated with.results for the M.P.I.A. 2.2 m telescope II" ; Wilson - Franza - Noethe - Tarenghi ; Proceedings of the IAU
Colloquium N" 79 "Very Large Telescopes ; their instrumentation and programs" ; Cerching ; April 1984 , page 119).

On mesure ainsi la qualité du télescope à un instant donné. On peut alors corriger au mieux ses défauts statiques.

Cette méthode présente plusieurs inconvénients - la correction nécessite l'utilisation d'une source de référence suffisamment intense, la direction de réglage du télescope vers la source étant alors différente de la direction d'observation souhaitée, - on ne corrige pas les défauts dynamiques du télescope, - lors de la correction, on ne peut pas faire d'observations, - la correction est longue à réaliser.

Le système de l'invention autorise une correction continue des défauts du télescope, défauts tant statiques que dynamiques, sans perturber l'observation et sans nécessiter de source de référence externe.

Dans l'invention on utilise une source de référence interne, portée par le télescope lui-meme,- un séparateur de faisceaux constitué d'un réseau holographique déposé sur le miroir primaire, ainsi les aberrations de chaque élément ne sont prises en compte qu'unie seule fois, et un dispositif d'analyse et de correction de surface d'onde.

La source de référence, constituée par un laser (une diode laser) est réfléchie à travers le système optique par l'intermédiaire d'une lame semi-réfléchissante placée entre la dernière optique et le plan de visualisation. Elle se propage donc l'envers dans le télescope.

D'après la loi de retour inverse de la lumière, les défauts du télescope sont les mêmes quel que soit le sens de propagation de l'onde. Donc, l'onde sonde possédera, en sortie de miroir primaire, les mêmes défauts de phase que l'onde objet sur le plan de visualisation.

Le réseau holographique deposé sur le miroir primaire, permet de prélever une faible partie de l'onde sonde, de la diffracter, et de la focaliser sur un senseur qui effectue l'analyse de la surface d'onde.

La focalisation peut se faire sur le senseur, après réflexion sur le miroir secondaire, une partie des composants optiques et une lame séparatrice; les aberrations du miroir primaire sont prises en compte une fois, les aberrations du miroir secondaire et du reste de la chatne optique sont comptées deux fois.

Une solution préférable consiste à focaliser directement sur le senseur à travers une ouverture située au centre du miroir secondaire.

Les aberrations de chaque composant optique sont alors également prises en compte, et une seule fois.

Un des principaux avantages du réseau est de ne rajouter aucun défaut de phase a l'onde diffractée ; ainsi l'onde qui aboutit sur le senseur ne possède que les défauts dûs au télescope. Cette condition est essentielle au fonctionnement du système de l'invention.

Un autre avantage est de ne pas altérer la qualité des ondes observées : on peut donc continuer à utiliser l'instrument, même lorsque le système de correction fonctionne.

Enfin le senseur, associé au miroir déformable, permet d'effectuer l'analyse et la correction de l'onde sonde et donc de compenser en temps réel tous les défauts du télescope, défauts aussi bien statiques que dynamiques.

Pour l'analyse de la surface d'onde, on dispose de deux méthodes connues la méthode C.O.A.T. (Cohérent Optical Adaptive Techniques)
On rappelle que les défauts d'un instrument peuvent se décomposer analytiquement en modes orthogonaux.

La méthode consiste à exciter le miroir selon ces modes. A chaque mode, on superpose une faible modulation à une fréquence Fi, i correspondant à un mode donné.

Le senseur est alors constitué d'un simple monodétecteur, placé au centre du miroir secondaire. L'onde diffractée se focalise sur ce monodétecteur de petite dimension par-rapport à la tache focale et qui fournit un signal électrique proportionnel à l'intensité recule. On effectue une analyse spectrale de ce signal aux différentes fréquences
Fi mises en jeu. De l'amplitude du signal, à une fréquence Fi donnée, on tire un signal d'écartométrie qui permet d'asservir le ième mode excité sur le miroir. Lorsque la composante spectrale du signal A la fréquence F est nulle, le mode correspondant est alors corrigé.

i
La méthode de "Hartmann-Shack"
Dans ce cas, l'onde à analyser est décomposée en éléments de petites dimensions (des sous-pupilles) a l'aide d'une galette de micro-lentilles et le senseur est constitué d'une matrice de microdétecteurs (voir Fig. 1 ; voir également l'ouvrage de John W.

Hardy précité page 665). Ces éléments sont suffisamment petits pour que l'onde déformée soit assimilable localement à une onde plane dont le défaut principal est un dépointage ou "tilt". Les déplacements de la tache de focalisation de chaque micro-lentille permet de mesurer le "tilt" local de l'onde a analyser, c'est è dire sa pente locale.

A partir de cette mesure, et à l'aide d'algorithmes de calcul, on élabore les signaux de commande du miroir déformable, qui corrige alors l'onde perturbée.

Comparée à la technique "C.O.A.T.", cette technique est plus encombrante, nécessite un étalonnage préalable et fonctionne en lumière parallèle. Ce dernier point conduit à utiliser une lentille supplémentaire pour renvoyer l'onde diffractée à l'infini, cette nouvelle lentille ne devant introduire aucune aberration nouvelle par rapport au télescope lui-meme.

Par contre, elle présente l'avantage de ne nécessiter aucune détection synchrone, ni aucune modulation des déformations du miroir; elle permet également d'utiliser une source de lumière incohérente.

L'invention va maintenant être décrite en détails, en relation avec les dessins annexés dans lesquels
- la Fig. 1 représente un système d'analyse de défauts de télescopes de l'art antérieur,
- la Fig. 2 représente les systèmes de correction de défauts de télescopes de l'invention ;
- les Figs. 3a, 3b et 3c expliquent la fabrication du réseau holographique-; et
- les Figs 4a, 4b et 4c représentent un miroir déformable en céramique électrostrictive.

En se référant a la Fig 1, un télescope 10 est formé du miroir primaire 11 et du miroir secondaire 12. L'onde en provenance d'un objet situé à l'infini est d'abord réfléchie par le miroir primaire 11 puis par le miroir secondaire 12; elle traverse alors le trou central 13 du miroir primsire 11 puis est renvoyée a 900 par le miroir plan 14 et reprise par une lentille 15 qui la focalise au foyer F du télescope. L'onde est ensuite analysée par un Système du type Hartmann
Shack. Dans ce système le cube séparateur 16 renvoie l'onde focalisée vers le collimateur 17, la galette de micro-lentilles 18 et la plaque photographique 19.Le cube séparateur de faisceau 16 renvoie une source lumineuse 20, utilisée comme référence, sur la plaque photographique pour illuminer les taches focales des lentilles de la galette de micro-lentilles.

En se référant maintenant à la Fig. 2, le télescope 30 comprend le miroir primaire 31 et le mirpir secondaire 32. L'onde recule est réfléchie par les miroirs 31 et 32, passe dans le trou central 33 du miroir primaire 31 puis est renvoyée à 90" par le miroir déformable 34 vers un train d'optique (lentille 35). Ce train d'optique focalise l'onde reçue sur le plan de visualisation 36.

Une onde sonde est produite par un ensemble monts sur le télescope et comprenant le laser 37, le microscope 38 et le trou 39.

L'onde sonde est superposée à l'onde reçue par le séparateur de faisceaux 40.

Sur le miroir primaire 31 est déposé un réseau holographique 41 qui permet de diffracter une faible partie de l'onde sonde pour l'amener sur le senseur de surface d'onde 42. Ce senseur est placé au débouché d'un trou central 21 du miroir secondaire et peut être constitué, comme il est connu, d'une galette de micro-lentille associée à une mosaïque de microdétecteurs.

Le circuit de commande et de traitement 43 recoit ainsi qu'il est connu les signaux de détection du senseur 42 et envoie des signaux de commande au miroir déformable 34.

Le réseau peut
- soit couvrir la totalité de la surface du miroir primaire; cette solution est simple, mais plutôt adaptée à un miroir de diamètre modéré -typiquement 1 mètre-,
- soit n'être déposé qu'en certains endroits dont la répartition est adaptée à la géométrie des moteurs du miroir déformable : cette solution, dite à réseaux parcellaires, est plutôt adaptée à un miroir de grand diamètre.

Le réseau holographique est fabriqué de la facon suivante (Figs.

3a, 3b, 3c):
après avoir recouvert la surface du miroir primaire d'une couche de résine photosensible, on l'illumine à l'aide d'un réseau de franges constitué par les interférences entre une onde dite "porteuse" et une onde dite "objet".

La distance géométrique entre ces deux ondes et le sommet du miroir primaire dépend des longueurs d'onde d'enregistrement et de restitution utilisées.

Si la longueur d'onde d'enregistrement est identique à la longueur d'onde de restitution, la porteuse provient de l'infini sur l'axe et l'onde objet provient du point où l'on désire placer le senseur (Fig. 3a).

Dans l'autre cas, on définit la géométrie d'enregistrement de manière à obtenir à la restitution la position souhaitée pour l'onde diffractée -c'est-à-dire sur le senseur, dont la position est définie par ailleurs- et de manière à minimiser les défauts introduits par le réseau sur lionde diffractée (Fig. 3c).

Une façon de minimiser ces défauts est d'utiliser les techniques de l'holographie synthétique lors de l'enregistrement.

La résine est ensuite développée puis fixée. Elle présente alors une modulation de sa surface proportionnelle à l'intensité lumineuse reçue (Fig. 3a). L'opération suivante consiste à la recouvrir d'une couche réfléchissante d'or ou d'aluminium.

On dispose alors d'un réseau holographique de phase par modulation de surface.

Les avantages du système de correction de défauts des télescopes de l'invention sont les suivants
- II ne nécessite pas de source lumineuse extérieure au télescope.

- il ne pose pas de problème d'énergie, ce qui peut permettre l'utilisation d'un séparateur faiblement diffractant.

- La correction est faite en boucle fermée, et reste possible à tout instant.

- Le système est compact.

Ainsi qu'on l'a déjà dit, le miroir déformable à déformation commandée peut être un miroir ayant une pluralité de miroirs élémentaires ou un miroir monobloc. Dans ce dernier cas, le miroir peut être en céramique piézoélectrique, comme il est décrit dans la demande de brevet précitée de l'actuel demandeur ou en céramique électrostrictive. De tels matériaux céramiques électrostrictifs ont été décrits par K. UCHINO et L.E. CROSS dans l'article "Electrostrictive effect in terovskites and its tranducer application", publié dans le Journal of Material Science, nO 16/1981, pages 569 à 578.

Pour une utilisation dans le domaine visible les céramiques piézoélectriques permettent d'obtenir des déformations de surfaces suffisantes, par exemple 0,8 pm/kV pour la céramique de type 12/4 développée par L et P. EYRAUD à l'INSA de Lyon.

La tension maximum utilisable est limitée par le claquage inter-électrode. Pour des densités de 5 électrodes/cm2 cette tension est supérieure à 3 kV.

Ainsi, et compte tenu de l'effort à fournir pour déformer la plaque, les céramiques piézoélectriques permettent d'obtenir des déformations mécaniques égales à 2,4 pm. Or, la différence de chemin optique introduite est égale à 2d/cos i, où d est la déformation mécanique normale à la surface et i l'angle d'incidence du faisceau.

La différence-de chemin optique est donc au moins égale à + 4 pm (en incidence normale), soit au moins + 8 fois la longueur d'onde visible de 0,5 pm qui correspond par exemple au maximum de l'émission spectrale solaire.

Mais ces différences sont à peine suffisantes pour une utilisation dans l'infrarouge moyen (3 à 5 pm) où elles ne représentent plus que + 1 longueur d'onde.

Conformément à l'invention, le miroir déformable est en céramique électrostrictive. Ces céramiques et notamment la céramique VL 779 fabriquée à l'INSA de Lyon par P. et L. EYRAUD, présentent, en effet, une sensibilite allant jusqu'à 2 pm/kV et permet donc d'obtenir une déformation de + 2,5 longueurs d'onde dans l'infra-rouge moyen. De plus, contrairement aux céramiques piézoélectriques à sensibilité élevée, elles peuvent ne pas présenter d'hystérésis, selon leur composition et le procédé d'élaboration utilisé.

La fréquence propre de résonnance la plus basse, et donc la bande passante du miroir, est supérieure à 30 Khz.

Dans la Fig. 4a, il n'y a pas de plaque déformable et l'électrode commune 24 du disque moteur sert de surface réfléchissante. Pour qu'une déformation notable apparaisse sur cette face, il faut que l'épaisseur du disque ne dépasse pas la distance inter-électrode.

Cette déformation sera au plus égale à la moitié de la déformation libre de la céramique, la déformation étant alors également répartie sur les deux faces.

L'utilisation de céramiques électrostrictives présente dans ce cas, par rapport aux céramiques piézoélectriques, les avantages suivants
- une sensibilité déplacement-tension plus élevée,
- une tension maximum applicable plus élevée. En effet, pour des épaisseurs de disques faibles, par exemple 1 mm, et des tensions de quelques kV/mm on obtient des déplacements de plusieurs microns. Cette valeur de tensions, est largement supérieure au champ de dépolarisation des céramiques piézoélectriques. De plus, une céramique électrostrictive supporte sans dommage des champs de plusieurs dizaines de kV/mm.

Pour permettre d'obtenir une électrode commune présentant une surface de qualité optique, on utilise des céramiques élaborées par frittage thermique sous charge d'une solution solide élaborée par coprécipitation en phase liquide. Si l'épaisseur du disque 24 est faible, celui-ci pourra être collé sur un support rigide 22 pour éviter l'apparition d'un flambage après polissage (Cf Fig. 4b).

L'intérêt de la solution en céramique électrostrictive est
- de faciliter la réalisation, puisqu'il n'y a plus besoin d'employer et de coller une plaque déformable,
- de permettre, éventuellement, une alimentation sans fil, avec un nombre élevé de points de commande, en amenant et en répartissant les charges électriques sur l'électrode haute tension1 au moyen d'un canon à électrons 23 (Fig. 4c). L'effacement ou la modification des charges déposées sur les électrodes s'effectue par balayages successifs du réseau d'électrodes.

- de procurer un déplacement plus important que celui fourni par une céramique piézoélectrique.

Les avantages des, miroirs déformables monoblocs en céramique électrostrictive sont d'etre adaptés à une utilisation depuis le domaine visible jusqu'à l'infrarouge moyen et de permettre l'obtention d'une densité et d'un nombre de moteurs élevés, suffisants pour être, par exemple, compatibles avec la correction des effets de la turbulence atmosphérique sur les grands télescopes terrestres.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 - Télescope (30) pourvu d'un système de correction de ses défauts dynamiques et statiques comprenant

un miroir primaire (31), un miroir secondaire (32) coaxial avec ledit miroir primaire, et un train d'optiques (35) à la sortie dudit miroir secondaire

un miroir déformable (34) à déformation commandée situé sur le faisceau de sortie du miroir secondaire

un senseur (42) sur le faisceau de sortie du miroir primaire et des moyens de commande (43) commandés par ledit senseur et commandant la déformation du miroir déformable, caractérisé en ce qu'il comprend en outre

- une source lumineuse (37) montée sur le télescope

- des moyens (40) de superposer le faisceau sonde émis par ladite source lumineuse au faisceau de sortie du télescope, d'où il résulte que le faisceau sonde émis par ladite source lumineuse se propage dans le télescope, dans le sens inverse d'un faisceau en provenance d'un point de visée du télescope ; et

- un réseau holographique (41) déposé sur au moins une partie de la surface réfléchissante du miroir primaire, permettant de prélever une faible partie de l'onde sonde, de la diffracter et de la focaliser sur ledit senseur.

2 - Télescope conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir primaire (31) est percé en son centre d'un trou (33) pour laisser passer en sens inverse l'onde en provenance d'un point de visée et l'onde sonde en provenance de la source lumineuse.

3 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le miroir secondaire (32) comporte un trou (21) central, et que le senseur (42) est situé à la sortie dudit trou central, et l'onde diffractée par le réseau holographique traverse ce trou pour tomber sur ledit senseur.

4 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le réseau holographique recouvre toute la surface réfléchissante du miroir primaire (31).

5 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que lesenseur comprend une galette de microlentilles et - une matrice de microdétecteurs, lesdits microdétecteurs étant respectivement alignés sur lesdites microlentilles.

6 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le miroir déformable est un miroir comprenant une-mosaSque de micromiroirs.

7 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le miroir déformable est un miroir monobloc en céramique piézoélectrique formé d'un disque ayant sur une face une pluralité d'électrodes individuelles et sur l'autre face une électrode commune, les électrodes individuelles étant alimentées par des hautes tensions prédéterminées.

8 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1- à 5, caractérisé en ce que le miroir déformable est un miroir monobloc en céramique électrostrictive, formé d'un disque (24) ayant sur une face une pluralité d'électrodes individuelles, et sur l'autre face une électrode commune, les électrodes individuelles étant alimentées par des hautes tensions prédéterminées.

9 - Télescope conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le miroir déformable est un miroir monobloc en céramique électrostrictive formé d'un disque ayant sur une face une pluralité d'électrodes individuelles et sur l'autre face, une électrode commune, les électrodes individuelles étant alimentées par un canon à électrons, et des moyens de balayer la face du disque comprenant les électrodes individuelles par le faisceau d'électrons dudit canon.