Descriptif
La résolution des instruments observant depuis le sol est généralement limitée par l’effet de la turbulence atmosphérique. Cet effet résulte des inhomogénéités aléatoires de température de l’atmosphère. Celles-ci induisent des fluctuations de phase et d’amplitude sur la propagation d’une onde optique qui se manifestent par une déformation et un élargissement, instantané ou moyen, d’une image ou d’un faisceau. L’optique adaptative permet de compenser en temps réel ces dégradations, via la mesure des aberrations par un analyseur de surface d’onde et la correction du faisceau optique par un miroir déformable. Ceci permet d’atteindre la résolution angulaire ultime du télescope, donnée par la limite de diffraction. Pour améliorer encore la résolution au-delà de cette limite, il est possible de faire de l’interférométrie multi-pupilles, par exemple entre plusieurs grands télescopes.
Le cours traite donc de la haute résolution angulaire au moyen de l’optique adaptative et de l’interférométrie multi-pupilles. Le cours traite des concepts physiques de propagation optique mais aussi des règles de dimensionnement système, en passant par les notions associées de traitement de signal/images et d’automatique.
Ces principes sont appliqués aux trois domaines suivants :
- imagerie haute résolution en astronomie exploitant un ou plusieurs télescopes
- télécommunications optiques sol-espace à très haut débit
- biomédical : ophtalmologie et microscopie
Objectifs pédagogiques
Le cours donne les bases théoriques et pratiques en haute résolution angulaire, soit pour en avoir une bonne compréhension, soit pour démarrer des recherches dans ce domaine. Les compétences attendues à l’issue du cours sont détaillées ci-dessous.
- Acquérir les notions fondamentales
- Reconnaître des applications de haute-résolution angulaire
- Comprendre pourquoi les perturbations limitent les performances des systèmes optiques dans des milieux aberrants
- Comprendre la nature des perturbations (turbulence atmosphérique, vibrations mécaniques, tissus biologiques…)
- Connaître les techniques optiques et numériques des systèmes optiques à haute résolution angulaire (optique adaptative et interférométrie multi-pupille)
- Comment fonctionnent ces systèmes
- Comment les effets des perturbations peuvent être corrigés
- Comment s’approcher de la performance ultime donnée par la limite de diffraction (imagerie, liens télécoms à très haut débit, microscopie...)
- Être capable de dimensionner de tels systèmes
- Cours magistral : 15
Diplôme(s) concerné(s)
- Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
- Quantum, Light, Materials and Nano Sciences
Parcours de rattachement
Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
Notions de base en optique géométrique et optique de Fourier. Quelques notions d'automatique (asservissements linéaires) sont conseillées pour suivre la partie du cours concernant la commande des systèmes d'optique adaptative.
Format des notes
Numérique sur 20Littérale/grade réduitPour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
Vos modalités d'acquisition :
Examen écrit
Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée écrêtée à une note seuil de 12)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 1.5 ECTS
Le coefficient de l'UE est : 1.5
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Pour les étudiants du diplôme Quantum, Light, Materials and Nano Sciences
Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 7
- Crédits ECTS acquis : 3 ECTS
Le coefficient de l'UE est : 3
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Programme détaillé
Propagation et imagerie à travers la turbulence
- origine physique de la turbulence
- propagation optique : effets de phase et de scintillation
- pourquoi les planètes ne scintillent pas (ou très peu) ?
- notion d’anisoplanétisme et de temps caractéristique d’évolution
- formation d’image : courtes et longues poses
Analyse de front d’onde
- différentes stratégies d’analyse de front d’onde
- bruit d’analyse
- reconstruction sur une base modale (polynômes de Zernike)
Techniques interférométriques
- interférométrie sur télescope monolithique :
- interférométrie de Speckle
- masquage de pupille
- interférométrie longue base multi-télescopes
- interféromètre stellaire de Michelson
- impact de la turbulence sur les observations interférométriques
- estimation de l’objet à partir des mesures interférométriques
- exemple de grands interféromètres
Optique adaptative
- principe & composants
- règles de dimensionnement et budget d’erreur
- application à l’imagerie haute résolution en astronomie (optiques adaptatives pour télescopes de 8 à 40 m, étoile laser, imagerie grand champ...)
Commande des systèmes d'optique adaptative
- l’optique adaptative : un asservissement avec des retards
- approche classique (matrice de commande, commande intégrateur)
- commande optimale, commande à base de modèle (formulation d’état, filtre de Kalman, commande LQG)
- exemples de résultats expérimentaux
Optique adaptative pour les télécoms sol-espace et le biomédical
- télécommunications optiques sol-espace à très haut débit
- les enjeux de l’optique adaptative pour les liens optiques
- effet de la turbulence sur le couplage dans une fibre monomode
- conception d’une optique adaptative pour des liens laser sol-espace
- exemples de démonstrations expérimentales
- applications biomédicales
- optique adaptative pour l’imagerie et la chirurgie en ophtalmologie
- optique adaptative en microscopie