Miroirs toriques/SPHERE - MSC Software Corporation
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Rencontre technologique 1 OPTIQUE ACTIVE PRINCIPE, INTÉRÊT, APPLICATIONS, OPTIMISATION Emmanuel Hugot, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille avec les contributions de Marie Laslandes Zalpha Challita Nicolas Rousselet 04/06/2012 Plan 2 1. Optique Active, qu’est ce que c’est ? 2. Fabrication optique Problèmes inverses, optimisation, distributions d’épaisseur 3. Miroirs Actifs pour télescopes sol et spatiaux Design et calcul de performance sous Marc/Mentat 4. Plastification de miroirs vers des déformations extrêmes Rencontre technologique 04/06/2012 Qu’est ce que l’optique active ? 3 Lumière entrante Contrôle de la déformation des miroirs pour la mise en forme des rayons lumineux DM 3 champs d’applications Maintien de la forme des grands miroirs Correction d’erreurs de front d’onde Fabrication de surfaces optiques asphériques Lumière sortante Outil: théorie de l’élasticité Application de forces, de pression et/ou de moments mécaniques Définition de géométries particulières Amélioration des performances _ des instruments optiques Simplification des systèmes Applications astronomiques L’optique active sous toutes ses formes au Very Large Telescope 4 Miroirs actifs de 8m Compensation des déformations sous gravité Miroirs à courbure Variable Recombinaison des faisceaux des 4 télescopes Journées ED - Mai 2012 Miroirs toriques/SPHERE Surfaces asphériques pour la détection d’exoplanètes Un champ d’application: le polissage sous contraintes Lame correctrice de Schmidt B. Schmidt – 1932, Première lame réalisée Extension de la technique (2 zones) - G. Lemaître (1972) 67cm plate - OHP Plate or meniscus Stress/strain deformation Grinding/polishing plane or spherical (full size tools) Stress/strain relaxation and final shape 5 More than 70 Schmidt plates manufactured for ground and space projects Rencontre technologique 04/06/2012 Rencontre technologique 6 MIROIRS TORIQUES POUR L’INSTRUMENT VLT SPHERE Imagerie à haut contraste Détection d’Exoplanètes VLT-SPHERE / imagerie d’exoplanètes Imagerie à haut contraste XAO pour la correction de la turbulence >90% de Strehl Coronographie Contraste de 106 à 108 Design optique hors axe Minimise les effets de diffraction Rencontre technologique 04/06/2012 7 Crédit ESO VLT-SPHERE / imagerie d’exoplanètes SPHERE AO corrected image Limitation: Speckles résiduels Provenant de l’AO, ils se moyennent durant une exposition d’1h Provenant des aberrations statiques perturbent l’imagerie HiF errors MidF errors Influence des moyennes et hautes fréquences non corrigées par OA Nécessite des surfaces asphériques de grandes qualité en terme de: Défauts locaux rugosité Polissage sous contraintes des miroirs toriques Rencontre technologique 04/06/2012 8 Miroirs toriques: définition Surface torique = surface bi-sphérique = Sphère + Astigmatisme Polissage sphérique + Déformation astigmate Déformation astigmate 2 paires de forces égales et opposées Variation du rayon de courbure dans 2 directions orthogonales Solution de base génère des harmoniques angulaires que l’on souhaite annuler 9 Rencontre technologique 04/06/2012 Miroirs toriques: design Design du miroir: Forme « fond de vase »: - un ménisque interne - un anneau rigide externe permet de contrôler la flexion radiale Distribution d’épaisseur angulaire Suppression des harmoniques parasites 10 Rencontre technologique 04/06/2012 Définition du profil d’épaisseur 11 1-Modèle analytique Détermine un premier profil 2-Modèle FEA Modification des paramètres de départ Simule la déformation de la pièce Stress OK 3-Analyse spectrale de la déformation Analyse la déformation Modifications locales du profil Résidus OK Profil Final Rencontre technologique 04/06/2012 Miroirs toriques: simulations ~105.000 noeuds [mm] [Mpa] Flexion de 19µm (flexion nominale) 12 Contraintes < 2MPa bon facteur de sécurité Traitement numérique de la surface déformée Rencontre technologique 04/06/2012 Liens FEA Optique Marc/Mentat Python Intelliwave 13 Rencontre technologique 04/06/2012 Liens FEA Optique Résidu 3.3nm RMS 14 Rencontre technologique 04/06/2012 Blanks et système de déformation Trois substrats: Diametres 174mm, 40mm, 396mm Système de déformation: anneau circulaire collé en 2 points + 2 vis micrométriques TM3 – 396mm TM1+deformation system Spherical pitch lap TM1–133mm TM2-40mm Rencontre technologique 04/06/2012 15 Results – interferometry TM1 TM2 D133 8µm D27 1µm TM3 16 Polishing Toricity Aspherical deformation D366 19.4µm TM1 Optical quality LF 9.0nm MF 1.3nm HF 1.1nm Roughness 5Å TM2 7.5nm 1.1nm -2Å Rencontre technologique TM3 22.0 nm 2.5nm 1.6nm 9Å 04/06/2012 Miroirs toriques: monture Contrainte 3: • Miroir posé dans l’instrument Déformations sous gravité Déformations thermiques (Spec: <25nm rms) • Nécessité de développer une monture spéciale 3 matériaux 2 interfaces • Calcul sous Nastran puis sous Marc, optimisation du module d’Young de la colle Minimise les déformations sous gravité < 1nm RMS 17 Concept Bureau d’études LAM Rencontre technologique 04/06/2012 Toric Mirrors on the SPHERE bench Total amount of error <60nm WFE RMS including 6 optics Delivery Jan. 2010 Rencontre technologique 18 Rencontre technologique 19 OPTIQUE ACTIVE SPATIALE Imagerie à haut contraste Détection d’Exoplanètes L’optique active dans l’espace Augmentation de la taille des télescopes et contraintes de poids 20 Mass: 11 T 3,3 T 6,2 T • Problème de stabilité des structures => Variations de température et absence de gravité => Perte de la forme optimale des grands miroirs => Défauts optiques dans l’instrument Miroirs Déformables pour compenser ces aberrations Le projet MADRAS • Démonstrateur technologique d’un correcteur actif pour télescope spatial 21 • Correction dans un relai de pupille Compensation des déformations du grand miroir primaire avec un petit miroir déformable, plus loin dans le télescope • Spécifications Cas d’étude: correction des déformées attendues sur un télescope de 3m Design répondant aux contraintes spatiales Correction de 9 aberrations optiques avec une précision < 10 nm Coma Astm3 Sphe Tref5 Astm5 Tetraf7 Journées ED - Mai 2012 Tref7 Pentaf9 Tetraf9 Simulation des performances du système • Approche par fonctions d’influence • Calcul des modes propres, • optimisation en rapport des spécifications Un exemple 1. Envoi d’un défaut d’astigmatisme Mesure du front 23 d’onde Visualisation de l’image non corrigée 2. Calcul et envoi des commandes 3. Déformation du miroir 4. Correction Mesure du front d’onde Visualisation de l’image corrigée Mesure de la forme de la surface optique Journées ED - Mai 2012 Rencontre technologique ASPHÉRIQUES EXTRÊMES 04/06/2012 Plastification des miroirs 24 I. CONTEXTE & OBJECTIFS 1. BESOINS SCIENTIFIQUES DE LA R&D 25 & TECHNOLOGIQUES A l’ère des ELTs et futurs observatoires spatiaux • • Sonder l’Univers lointain Augmenter la sensibilité des télescopes complexification des instruments plan-focaux (taille, composants, alignements …) Ruptures technologiques nécessaires I. CONTEXTE & OBJECTIFS DE LA R&D 26 3. COMMENT OBTENIR CES MIROIRS ATYPIQUES ? Objectifs de la R&D – 2 axes • Concevoir et mettre en place un procédé de fabrication innovant adapté de l’hydroformage. Un procédé « simple », « rapide », « peu coûteux » Pour des miroirs dans le Visible et l’IR Sélection des meilleurs candidats matériaux considérations opto-méca. / état de l’art métallurgie • Mettre en place des simulations via FEA Paramétrage procédé – conforme aux specs optiques - Bibliographie matériau - Pré-tests d’hydroformage - Étude de faisabilité & paramétrisation II. ETUDE OPTO-MÉCANIQUE ET FEA 27 1. CONCEPT Idée générale Avantages • • • • Pas de marques d’outils laissées sur la surface optique (pas de résidus de hautes fréquences) Pas de contact entre surface optique et matrice Procédé simple et rapide (géométrie initiale simple, déformation rapide, polissage simplifié) Applicable sur des épaisseurs fines Difficultés : Non-linéarités • • Matériau Grands déplacements II. ETUDE OPTO-MÉCANIQUE ET 3. MISE EN PLACE DE LA FEA Paramétrage : matériau et éléments finis • • • • Nuance matériau Ecrouissage – évolution = f() Isotropie – anisotropie / microstructure Maillage / précision – temps de calcul Implémenter nos propres données matériaux Effets du paramétrage • • • Variations du comportement mécanique Difficultés à quantifier les effets via FEA seule Impact sur les caractéristiques optiques finales Retour élastique (dplts X) Rc final erreurs de forme Glissement plans cristallo. rugosité VM non homogène erreurs de forme évolutions au cours du temps Quantifier ces effets et optimiser les paramètres FEA 28 II. ETUDE OPTO-MÉCANIQUE ET FEA 29 3. STUDY CASE 1 Plan de tests/modélisations établi • • • Exploration de divers paramétrages Nécessité d’une comparaison : cas réels / cas modélisés Partir de cas simples (FEA et tests) et les faire évoluer Prototype d’AsphereX hydro-formé FEA exploratoire FEA moules sphériques - Cas d’étude / paramétrage Propriétés matériaux essais de traction Prototype de tests hydroformage Caractérisation opto-mécanique FEA moules asphériques - Optimisations FEA profil du moule Comparaison tests/modèles FEA précises Autres applications 30 Sigmadyne SIGFIT : •Simulation opto-mécanique •Optimisation de design •Etudes dynamiques •Etudes thermiques Exemples 31 Simulation de performances optiques d’un instrument Optimisation du support d’un miroir allégé Optimisation de la position des actionneurs pour la correction de surface d’un miroir Applications directes LAM 32 Miroirs allégés Optimisation monture miroir (whiffle tree..) Optimisation instrument complet en locale/globale Recalage de modèle dynamique (vibratoire…) Optimisation de profil de miroir actif Optimisation de positionnement d’actionneur actif ou adaptatif Optimisation de structure vibrante Allégement de structure… Conclusions 33 L’ Optique Active est basée sur les comportements des matériaux Elasticité, plasticité, variations de densité… Fort besoin de FEA pour atteindre les objectifs visés: qualités de surfaces de qqs nm sur des diamètres de l’ordre de plusieurs mètres. Utilise une variété de solutions proposées par les logiciels, Ouverture actuelle vers les grands instruments de la physique LMJ, VIRGO, ITER, ELI, … Rencontre technologique 04/06/2012 Rencontre technologique Merci! Recherche soutenue par : European Southern Observatory Centre National d’Etudes Spatiales Seventh European Framework Program Thales Alenia Space 04/06/2012 34
