Miroirs actifs pour la sélection de cible en astronomie

Le beam steering mirror dans Eagle

 Un instrument tel qu’un spectrographe grand champ pour l’analyse multi objet est consitué de divers sous-systèmes correspondants à des fonctions précises. Pour chaque sous-système, plusieurs technologies peuvent être envisagées pour remplir les objectifs xés par la science. L’utilisation de miroirs actifs est non seulement une solution élégante mais elle présente en outre de nombreux avantages à la fois technologiques et scientiques en remplissant plusieurs fonctions en une seule surface. Les spécications sur le miroir actifs sont étroitement reliées aux autres sous-systèmes avec lesquels il interagit directement ou indirectement. 

Principe de Multi-ifu 

L’instrument Eagle est basé sur le principe de Multi-ifu7 qui peut être divisé en trois sous-systèmes principaux : un Système de Sélection de Cible (tas8 ), un module d’Optique Adaptative, et un module Spectrographe à Intégrale de Champ (ifu). Plusieurs canaux identiques et indépendants sont disposés autour du plan focal de l’Elt, permettant d’étudier simultanément le spectre d’objets sélectionnés dans un champ élargi (> 5 arcminutes). Ce principe est illustré sur la gure 4.1. A ce stade de la réexion sont principalement ressorties, pour chaque sous système, les fonctions à remplir et les points critiques à surmonter. Plusieurs propositions et prototypes sont en cours. Target Acquisition System La porte d’entrée du tas est un miroir de sélection (pom 9 ) de faible dimension qui doit être placé à la position des objets scientiques sur le plan focal du télescope an de rediriger le faisceau vers le train optique. Diérentes technologies sont proposées pour les pom, suivant qu’ils soient xes ou mobiles dans le plan focal, et orientables ou non. Le système de sélection de cible a fait l’objet de plusieurs développements basés sur diérents concepts : le xed path compensation ou concept à bras (solution choisie sur Vlt Kmos [Sharples et al 2002, Ramsay Howat et al 2002]), et le variable path compensation basé sur les miroirs de direction (bsm 10) (proposé sur Tmt Tipi [Ellis R. et al 2005]). Adaptive Optics L’implémentation de l’ao dans l’instrument dépendra des capacités de correction grand champ que peuvent atteindre les diérents principes d’ao. La moao permettrait une très bonne correction localisée sur des objets sélectionnés dans un très grand champ, impliquant un fonctionnement en boucle ouverte. La reconstruction tomographique est un point clé dans la faisabilité de ce concept et a fait l’objet de récentes études [Neichel et al 2007]. D’autres concepts sont apparus depuis le succès de la mcao, basés sur la correction de boucle fermée de plusieurs sous-champs divisant le champ total. On parle de multi-mcao. Integral Field Unit Plusieurs possibilités sont encore à l’étude autour du spectrographe à intégrale de champ, basé sur la technologie de découpage de champ ou slicers [Prieto et al 2000]. On citera notamment la possibilité d’utiliser des optiques très asphériques générées à partir de Miroirs Déformables MultiModes (mmdm) [Lemaître & Duban 2001] permettant de réduire le nombre de surfaces optiques. Cette solution pourrait améliorer l’ecacité des ifu d’environ 20% ainsi que leur compacité [Cuby et al 2006]. 4.2.2 Le bsm comme composant clé Une solution élégante proposée pour le tas utilise des bsm actifs permettant de corriger les variations toriques d’un train optique variable : la gure 4.2 présente le principe d’un canal, et l’intégration dans un instrument complet. Un système de positionnement place des pom au niveau des objets scientiques d’intérêt sur un plan focal d’environ 1m de diamètre, correspondant au champ de 5 arcmin de l’E-Elt.Chaque pom renvoie le faisceau de l’objet sur un bsm actif. Le bsm se déforme selon une surface torique, an de corriger des aberrations hors axe et ré-image la pupille sur un miroir déformable qui corrige de la perturbation atmosphérique locale. L’image sélectionnée et corrigée est ensuite renvoyée à l’entrée de l’ifu .Dans le concept de sélection de cible tel qu’il est présenté, le bsm actif est un composant clé car il permet à l’aide d’une seule surface optique de remplir plusieurs fonctions : 1. re-diriger le faisceau incident provenant du pom sur le miroir déformable, 2. compenser les aberrations optiques dues au caractère variable du chemin optique hors axe en fonction du positionnement du pom, 3. corriger la variation de chemin optique due au positionnement du pom sur le plan focal si nécessaire. La première fonction est remplie par une platine Tip/Tilt, qui permet d’orienter le miroir (actif ou non) selon un angle de +/- 7.5 degrés. La deuxième fonction est remplie par l’utilisation d’un miroir déformable actif, dont la déformation astigmate permet de compenser les défauts d’une réexion hors axe sur une sphère. La troisième fonction peut être remplie par ce même miroir déformable, en générant une déformation paraboloïdale sur la surface, ce qui permet de recaler le foyer du système. Corriger le caractère hors axe variable à l’aide d’une seule surface optique variable présente de nombreux avantages à la fois optiques et technologiques tels que le gain en ux, la minimisation des erreurs de front d’onde, la réduction du temps d’intégration, la facilité de calibration et de maintenance. On notera également que l’on a ainsi un système xe, dépourvu de toute translation, ce qui présente un fort avantage du point de vue mécanique, et donc augmente la précision et la stabilité du système. 

Spécications du bsm

 Dans la suite du chapitre, nous étudierons diérentes congurations de miroirs actifs déformables permettant de remplir soit la deuxième fonction, soit les deuxième et troisième fonctions simultanément. Plusieurs congurations seront possibles pour le deuxième choix. Des spécications de départ sur l’amplitude des déformations et la qualité optique (cf table 4.1) ont permis de poser les concepts préliminaires du bsm déformable. Ces spécications sont étroitement reliées aux autres sous-systèmes avec lesquels le miroir actif interagit. Amplitude des déformations Les déformations à générer dépendent de plusieurs facteurs comme la gamme de positionnement du pom, la taille du bsm, et les angles induits vis à vis de la position du bsm. Les premières estimations posent des spécications larges sur l’amplitude des déformations : on souhaite générer entre 30µm maximum et 150µm maximum de déformation ptv en astigmatisme à la surface d’un miroir de diamètre 100mm ou 200mm. Dans le cas de la compensation de chemin optique, on souhaite pouvoir générer entre 5 et 75µm maximum de Focus sur cette même surface. Qualité optique La qualité optique de la surface des miroirs actifs est directement reliée aux spécications sur la qualité du front d’onde qui doit être délivré à l’entrée du module d’ifu, ainsi qu’aux aberrations que le miroir adaptatif du module d’ao peut corriger. La qualité optique doit être au minimum de λ/4 rms en basses fréquences (goal λ/10 rms), et de λ/10 rms en hautes fréquences. Nous verrons par la suite que c’est principalement par rapport à ce critère que seront dénis les domaines de déformation possibles sur les miroirs actifs proposés et donc leurs domaines de fonctionnement.