Soutenance de thèse de Wilfried JAHN

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Systèmes optiques complexes,Aménagement de plans focaux,Détecteur courbe,Optique Freeform,
Keywords
Optical complex systems,Focal plane design,Curved detectors,Freeform optics,
Titre de thèse
Aménagement de plans focaux pour l'imagerie haute résolution et l'observation de la Terre : Optiques freeform et détecteurs courbes
Focal plane arrangement for high resolution imaging and Earth observation: Freeform optics and curved sensor
Date
Mercredi 18 Octobre 2017 à 14:00
Adresse
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille
Amphitheatre
Jury
Directeur de these Marc FERRARI Aix Marseille Université
Rapporteur Vincent MICHAU Onera
Rapporteur Thierry LEPINE Institut d'Optique Graduate School
Examinateur Marie LASLANDES Medical University of Vienna
Examinateur Jacques BERTHON CNES
Examinateur Philippe AMRAM Laboratoire d'Astrophysique de Marseille

Résumé de la thèse

La complexité des systèmes optiques a augmenté depuis quelques décennies à la demande des communautés utilisant de lourd volume de données comme en astronomie, en imagerie de la Terre et sur le marché grand public. Dans le cas de l'astronomie et du domaine de la surveillance spatiale, les challenges scientifiques et techniques ont exigé des télescopes une sensibilité de détection suffisante pour trouver des objets à faible luminosité, petits et/ou éloignées, sur de grands champs de vision avec une fréquence d’acquisition rapide et une qualité d'image excellente. Malheureusement, une sensibilité accrue exige des télescopes de très grands diamètres, ce qui, combiné avec une exigence de haute résolution angulaire et le large champ de vision, aboutit à des télescopes complexes avec de très grand plan focaux. Pour l’observation de la Terre, les systèmes de télédétection spatiaux doivent minimiser la distorsion optique afin de garantir le besoin en résolution spatiale. On a considéré deux technologies majeures pour réduire le volume et la complexité de tels systèmes aussi bien que leurs plans focaux: les optiques freeform et les détecteurs courbes. Dans la première partie de ce manuscrit, nous présentons le design de télescopes innovants pour la future génération des imageurs de la Terre depuis l’espace. Cette étude a été suivie par le CNES, l'agence spatiale française. En effet, l'utilisation de systèmes imageurs homothétiques aux télescopes actuels à défilement SPOT et PLEIADES mènerait à des dimensions de plan focaux linéaires qui seraient prohibitifs, tout particulièrement pour des missions en infrarouges exigeant un système de cryostat lourd et volumineux pour refroidir les capteurs. Nous présentons deux télescopes optiques utilisant un module de segmentation de champ, basé sur la technologie des dissecteurs d'image développée pour la spectroscopie à intégrale de champs en astronomie, permettant de passer d'un plan focal linéaire classique à un plan focal bidimensionnel très compact. Ce module se compose d'un ensemble de miroirs freeform définis à l’aide de polynômes de Zernike. Chaque télescope, orbitant à une altitude de 700 km, a un champ de vue linéaire de 1.1°. Le premier télescope considère un capteur matriciel et le deuxième considère plusieurs capteurs linéaires déjà qualifiés pour des missions spatiales. Nous démontrons que de tels systèmes fournissent une bonne qualité optique sur tout le champ de vue et offrent un gain significatif sur le volume du plan focal. Dans la deuxième partie, nous présentons les développements faits jusqu'ici sur la technologie des capteurs à courbure ajustable. Le LAM et le CEA-LETI développent une technologie de capteurs déformables, pour des applications visibles et infrarouges. Pour s’affranchir de l'aberration de courbure de champ dans un système optique, un capteur courbe est le composant idéal permettant de réduire la complexité du système optique en amont, voire de supprimer certains éléments à qualité image équivalente. Cette technologie est une révolution pour les futurs imageurs grand champs, trouvant des applications en astronomie, surveillance, défense, biomédical et autres ; premièrement en améliorant la qualité d'image sur la netteté, la résolution, le contraste et la luminosité tout en réduisant les dimensions du système optique, et deuxièmement en simplifiant les contraintes de fabrication et de tolérances d'alignement pour aboutir à une meilleure stabilité du train optique pour des télescopes dits « ouverts ». Pour démontrer cela, nous quantifions l'amélioration des performances optiques de systèmes de zoom, puis nous analysons la caractérisation électro-optique d'un capteur courbe CMOS plein-format et enfin nous présentons son intégration sur un banc optique utilisant un prototype préindustriel d’objectif grand angle. Ce travail a été mené en étroite collaboration avec le CNES à Toulouse et le CEA LETI à Grenoble (France).

Thesis resume

Optical system designs have increased in complexity for few decades as the demands of data-intensive communities like astronomy, Earth-imaging services and consumer market. In the instance of the astronomy and space surveillance domains, the scientific and technical drivers of new-start efforts required telescope systems possessing sufficient detection sensitivity to find faint small and/or distant targets over large fields of view with rapid cadence and excellent image quality. Unfortunately, increased sensitivity requires very large aperture diameter telescopes, which when combined with the requirement of high angular resolution and wide field of view results in complex telescopes with very large focal plane. For the Earth observation, down-looking remote-sensing systems need to minimize optical distortion on space-based platforms in order to maintain ground sample distance needs. Two major technologies have been considered to reduce the volume and the complexity of such systems as well as their focal planes: freeform optics and curved sensors. In the first part of this manuscript, we deals with the conception of innovative telescope for the next generation of Earth imaging telescope from space. This study has been followed by the CNES, the French Space Agency. Indeed, the use of homothetic imaging systems as current Spot and Pleiades pushbroom satellites would lead to prohibitive linear focal plane dimensions, especially for infrared missions requiring large volume cryostat to cool the sensors. We present two optical telescopes using a field-slicing module based on the astronomical image slicer technology developed for integral field spectroscopy, allowing a rearrangement of a classical long linear focal plan into a compact two-dimensional focal plan. This module is made of a set of freeform mirrors defined by Zernike polynomials. Each telescope orbiting at 700 km altitude has a linear 1.1° field of view, the first one considers a matrix sensor and the second one considers several linear sensors currently used in space missions. We demonstrate that such systems provide efficient optical quality over the full field and offer a substantial gain in volume of the focal plane arrays. In the second part, we present our developments done so far on the curved sensor technology. LAM and CEA-LETI are developing the technology of deformable sensors, for visible and infrared applications. To free an optical system from the field curvature aberration, a curved sensor is a suitable device enabling to reduce the complexity of optics and suppress some elements. Such breakthrough devices will be a revolution for future wide field imagers and spectrographs, firstly by improving the image quality with better off-axis sharpness, contrast, resolution, brightness while scaling down the optical system, secondly by overcoming the manufacturing issues and simplifying the tolerances of alignment for a better stability of the optical train for fast telescope. To demonstrate that, we quantify the optical performance improvement of zoom systems, then we discuss the electro-optical characterization of a curved full frame CMOS sensor and finally we present its integration into an optical testbed using a pre-industrial wide field camera. This work has been done in close collaboration with the CNES in Toulouse, and the CEA Leti in Grenoble (France).