L`imageur interférométrique de Fresnel: un instrument spatial pour la
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L'imageur interférométrique de Fresnel: un instrument spatial pour la haute résolution angulaire Denis Serre, Laurent Koechlin, Paul Deba 1: Principe optique d’un imageur de Fresnel 1.1: principe d’un réseau de Fresnel 1.2: extension à deux dimensions 2: Performances, avantages, difficultés 2.1: points forts 2.2: difficultés à résoudre 2.3: schéma optique d’achromatisation 3: Projets de développement 3.1: perspectives 3.2: préparation du moyen et long terme Laboratoire d’Astrophysique de Toulouse - Tarbes www.ast.obs-mip.fr/serre www.ast.obs-mip.fr/koechlin Journée de prospective spatiale du PNG - 20 Novembre 2006 1.1: principe d’un réseau de Fresnel foyer Plans d’onde incidents lentille (ou miroir) : focalisation par réfraction (ou réflexion) réseau de Fresnel : focalisation par diffraction et interférences Ordre 0 Ordre 1 foyer Plans d’onde incidents Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions Réseau à motifs circulaires : Lentilles de Soret (1875) Efficacité dans l'ordre 1 : 10% Exemple: lentille circulaire à 15 zones Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel PSF circulaire Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions lentille circulaire, psf circulaire géométrie circulaire: transmission = g(ρ) affichage en puissance 1/4 Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions lentille orthogonale, psf orthogonale géométrie orthogonale: transmission = g(x) ⊗ g(y) affichage en puissance 1/4 Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions Formation d’une image: si point émissif ailleurs dans le champ: Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions Formation d’une image: si point émissif ailleurs dans le champ: Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 1.2: extension à deux dimensions Formation d’une image: si point émissif ailleurs dans le champ: Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 2.1: points forts Imageur avec résolution angulaire équivalente à une ouverture pleine de même dimension Pas de composant optique pour focaliser: juste du vide ou matériau opaque Zones opaques connexes => cohésion mécanique Relâchement des contraintes de fabrication et déploiement: Masse très inférieure à celle d'un miroir pour une dimension donnée Pour un front d’onde à λ/20 dans le visible: Soit un miroir avec précision de surface à 0.015 µm (qualité λ /40) , soit un réseau de Fresnel à positionnement et découpe des ouvertures dans le plan grille à précision typ. 250 µm (chaque zone de Fresnel bloquant ou laissant passer la lumière en phase modulo 2 pi) réseau de Fresnel: tolérance de tilt de typ. 0.5 degré (le front d’onde est régi par la projection de la grille dans le plan orthogonal à l'axe optique) Imagerie à haute dynamique possible hors aigrettes « Focalisation » effective dans grand domaine de longueurs d’onde (100nm à 10-20µm) => Possibilité de réaliser de (très) grandes ouvertures dans l’espace Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 2.2: difficultés Transmission au foyer de l’ordre de 4% à surface donnée Très longues focales: typiquement 500m à 20km => utilisation dans l’espace avec un vol en formation à deux modules Aigrettes de diffraction dans l’image: avantage dans certains cas, mais peut limiter la dynamique dans le cas d’objets très étendus Fort chromatisme inhérent au réseau, mais corrigé par optique appropriée: λ f = Constante Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 2.3: schéma optique d’achromatisation Grille de Fresnel primaire Optique de champ lentille de Fresnel divergente blazée : ordre -1 optique convergente de reprise d’image plan image 2 corrigé rayons venant de la lentille primaire Module 1: réseau primaire Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel plan pupille plan image 1 dispersé Module 2: achromatisation et instrumentation focale Denis Serre - 20/11/06 11 / 23 3.1: Perspectives Maquette sol actuelle (R&T CNES, ouverture de 8cm de côté, avec optique focale): Résolution limite atteinte dans tout le visible 2006 Dynamique attendue de 20 000, mesurée actuellement de 10 000 Imagerie de sources simulées de différents contrastes Grille primaire haute transmission Maquette sol à venir: 2006-2007 2007 Augmentation de diamètre Tests sur sources astrophysiques réelles Propositions de phase 0 d’un démonstrateur de petites dimensions en concertation avec ingénieurs du CNES en cours Projet de grandes dimensions (15, 30m…) Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel en idée… Denis Serre - 20/11/06 3.2: Perspectives: préparation du moyen et long terme Personnes contactées de visu et par mail: Instrumentation: Système solaire: Anne-Marie Lagrange, UJF Margarita Karovska CfA (USA) Pascal Fouqué, OMP Galaxies & cosmologie Yves Langevin, IAS Patrick Michel, OCA Physique Stellaire et exoplanètes: Pierre Léna, obsPM Guy Monnet, ESO Denis Mourard, OCA Farrokh Vakili, LUAN Roser Pello, OMP Yoshiaki Taniguchi, Japon Développements: Continuer l’accrétion d’une masse « critique » de chercheurs Elaboration de plusieurs missions-types Proposition de phase 0: étude d’un démonstrateur dans un cadre national (CNES) Proposition dans un cadre international pour un dispositif de grandes dimensions (15, 30m…) Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 Fin Field-resolution ratio progresses for interferometric arrays Koechlin, L. ; Serre, D. ; Duchon, P. 2004SPIE.5491.1607K (2004) High resolution imaging with Fresnel interferometric arrays : suitability for exoplanet detection Koechlin, L. ; Serre, D. ; Duchon, P. Astronomy & Astrophysics, v.443, p.709-720 (2005) Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 2.1: points forts Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06 3.0: Maquette au sol: validation du concept Financement sur contrat R&T du CNES depuis octobre 2005 Réseau primaire de 80mm de côté, 58 zones, 26680 ouvertures Focale: 23m@600nm Optique d’achromatisation complète depuis début octobre 2006 (réception de la lentille correctrice blazée) Évaluation des performances en cours: Résolution limite atteinte de 500 à 780nm Dynamique attendue de 20 000, actuellement mesurée à 10 000 Exemples d’images obtenues: Image d'un Image d'un Image d‘une trou source disque "quasi" mire "galaxie" Ø =0,8 " d'arc uniforme 72 " d'arc Ø =32 " d'arc Imagerie par réseau interférométrique de Fresnel Denis Serre - 20/11/06
