Optique adaptative

AlainMeyer Optiquefévrier2009
Recherche documentaire :
Optiqueadaptative
Sommaire
Introduction.............................................................................................................................................2
Fonctionnement..............................................................................................................................2
Historique........................................................................................................................................3
Turbulenceatmosphérique.............................................................................................................5
Typesd’actuateurs..................................................................................................................................6
Piézoélectrique................................................................................................................................6
Lemiroirbimorphe..........................................................................................................................7
Alternativesauxpiézoélectriques...................................................................................................9
Alternatives et défauts de l’optique adaptative.....................................................................................10
Annexe...................................................................................................................................................13
Source............................................................................................................................................13
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AlainMeyer Optiquefévrier2009
Introduction
L'optique adaptative est une technique dont le but consiste à restaurer en temps réel la qualité
des images détériorées par la turbulence atmosphérique.
Fonctionnement
En quoi consiste l'optique adaptative ? La lumière arrivant sur un écran est altérée par la
turbulence atmosphérique : sa surface d'onde n'est plus plane mais irrégulière. On l'envoie sur
un miroir déformable auquel on applique des déformations inverses de celles de la surface
d'onde de façon qu'après réflexion sur ce miroir, elle retrouve sa planéité. Tout le problème
revient donc à savoir quelles déformations il faut appliquer au miroir. Puisque les
déformations doivent être inverses de celles de la surface d'onde, on les obtiendra en
analysant la surface d'onde. On prélève donc une petite partie de la lumière à l'aide d'une lame
semi réfléchissante et on l'envoie sur un dispositif qui analyse la surface. Ce dernier dispositif
adresse alors à un ordinateur la carte des déformations et celui-ci calcule la valeur des signaux
électriques à envoyer au miroir pour le déformer.
Figure1Lesystèmed’OAclassiquebouclefermée.L’analyseurdesurfaced’ondeestplacéderrièrelesmiroirsetdonne
desmesuresdephaserésiduelleàpartirdesquelsondéterminelesnouvellestensions.
Nous avons dit que pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, il suffisait de
mesurer les déformations du front d'onde et de les appliquer, à l'opposé, grâce à un élément
déformable. Comment faire plus concrètement ? Pour l'analyse du front d'onde, de
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nombreuses techniques sont envisageables, issues le plus souvent des outils d'analyse de la
qualité des instruments optiques, qui depuis longtemps ont permis de caractériser les
systèmes. Nous allons examiner plus en détail le principe de fonctionnement un senseur de fr
de front d'onde de type Shack-Hartmann.
Il s'agit d'une matrice de micro-lentilles, découpant la pupille du télescope en sous-pupilles.
Chaque micro-lentille forme une image. La pente locale du front d'onde dans la sous-pupille a
pour effet d'excentrer l'image. La mesure de ce décentrement pour chaque sous-pupille
représente la dérivée du front d'onde en ces points. L'ensemble de ces mesures à un instant
donné est appelé vecteur des pentes. Ce vecteur de mesure est transmis à un calculateur temps
réel, qui reconstruit le front d'onde et détermine les modifications à appliquer aux miroirs
correcteurs.
Figure2Schémadefonctionnementdel’analyseurdeShack‐Hartmann
A partir de l'ensemble de ces pentes locales, il est possible grâce à un algorithme de calcule de
remonter à la forme du front d'onde analysé. Le front d'onde est notamment décomposer en
polynômes de Zernike (ou de Legendre suivant la forme de la pupille). Ces polynômes
permettent de décomposer le front d'onde en aberration caractéristique.
Historique
Nous l'avons vu, l'effet de la turbulence est pratiquement équivalent à celui d'un miroir
déformant qui changerait de forme plusieurs fois par seconde. L'idée maîtresse de l'optique
adaptative, qui revient à Horace W. Babcock est en théorie très simple: puisque le front
d'onde est déformé par la turbulence, pourquoi ne pas le redresser ?
L'idée de Babcock n'a pas été immédiatement appliquée, essentiellement parce que la
technologie de l'époque ne le permettait pas. La première résurgence astronomique de cette
idée aura lieu près de 25 ans plus tard, en 1977, aux Etats-Unis par J.W. Hardy. Les
développements lors de la décennie suivante profiteront essentiellement de l'impulsion des
programmes militaires, en particulier liés au projet de « guerre des étoiles » (SDI) américain
et dont les résultats restèrent confidentiels défense jusqu'à une date récente.
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Après de remarquables réussites en astronomie, l'optique adaptative conquiert aujourd'hui
d'autres domaines. C'est une technique qui s'avère très prometteuse, vis-à-vis des applications
nouvelles qui apparaissent.
En rendant possible la focalisation très précise de faisceaux laser, l'optique adaptative voit
s'ouvrir un large champ d'applications potentielles, dont voici quelques exemples :
o Savoir focaliser très précisément un laser sur une cible, en compensant la turbulence
atmosphérique, est un point de passage obligé pour l'utilisation de lasers de grande
énergie, à des fins militaires.
o Mettre au point des procédés industriels nouveaux de soudage ou de découpe par laser.
Applicables en premier lieu à la métallurgie, certains de ces procédés pourrait même
profiter à des secteurs d'activité très divers.
o Trouver une alternative aux essais nucléaires est capital pour l'étude de certains
phénomènes de physique fondamentale. Aujourd'hui envisagée à cette fin, la fusion
thermonucléaire au moyen d'un laser de très forte puissance (dit laser mégajoule),
requiert la meilleure focalisation possible des rayons, afin que le rendement soit élevé.
Un système d'optique active doit donc compenser les défauts le long du trajet optique.
En ophtalmologie, l'observation du fond de l'oeil pose des problèmes voisins de ceux
qu'affronte l'astronome qui observe les étoiles. Il s'agit d'observer de très petits détails à
travers un milieu peu propice. En corrigeant les aberrations optiques de l'oeil dues à la
traversée du cristallin et du corps vitré, l'optique adaptative doit permettre d'observer la rétine
avec une très haute résolution. Des progrès très attendus en matière de diagnostic médical, car
aujourd'hui la résolution avec laquelle on sait observer le fond de l'oeil ne permet de détecter
certaines pathologies, qu'à un stade déjà très avancé, donc difficilement guérissable. A la clef
donc, l'augmentation considérable des chances de guérison des patients atteints de pathologies
rétiniennes, tout en diminuant le coût des soins pour la société.
Figure4Lesanalyseursdefrontd’ondepermettent
d’analyserlesaberrationsoculaires Figure3lefrontd’ondedéformédonneunrésultatsousforme d'unesurfacetridimensionnelle
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Turbulenceatmosphérique
La caractérisation précise de la turbulence atmosphérique et ses effets sur les images est un
problème complexe. Cependant, pour en simplifier l'explication, on peut considérer que
l'atmosphère terrestre, la couche d'air qui nous sépare de l'espace, est en perpétuel
mouvement, et ce à une multitude d'échelles. Des grands mouvements de masses d'air à
l'échelle continentale, aux micro-mouvements de minuscules bulles d'air roulant les unes sur
les autres, en passant par les couches poussées par des vents de directions différentes suivant
l'altitude, tous contribuent à la turbulence atmosphérique. Or ces masses d'air variées, en
mouvement, ont des caractéristiques optiques différentes, essentiellement dues à leur
différentes températures (l'indice de réfraction de l'air, la vitesse de propagation de la lumière
en son sein, varient avec la température). Ainsi, au travers de l'air, les images sont
continuellement déformées.
Un modèle très étudié de l'atmosphère, et confirmé dans ses grandes lignes par plusieurs
études expérimentales, est celui de Kolmogorov. Ce modèle consiste à représenter
l'atmosphère comme une structure semi-fractale de masses d'air d'échelles décroissantes
depuis l'échelle externe correspondant aux plus grands phénomènes macroscopiques
(couches d'air, vents, perturbations météorologiques) et transmettant leur énergie cinétique
d'une échelle à l'autre par tourbillonnement jusqu'à la plus petite échelle où l'énergie se
dissipe en chaleur par frottements visqueux. L'étude mathématique de ce modèle permet de
faire ressortir plusieurs paramètres caractérisant l'état de la turbulence.
Les effets de la turbulence sont ainsi particulièrement sensibles pour l'astronome, qui, du sol,
tente de former des images à partir d'un faisceau qui a traversé des kilomètres d'atmosphère.
De plus, la perturbation due à la turbulence atmosphérique, déjà sensible pour les étoiles à
l'oeil nu, va devenir de plus en plus gênante, à mesure que l'instrument va se perfectionner.
Plus on tente de ``grossir'' les images, d'augmenter le pouvoir de résolution de l'instrument,
plus la turbulence se montre comme une barrière infranchissable.
En pratique, au sol, contrairement à la situation prévalant dans l'espace, la résolution des
images brutes que l'ont peut obtenir au foyer d'un grand télescope ne dépend pas de la taille
du miroir mais de la turbulence. Suivant les conditions (site, vents,...), la turbulence peut être
plus ou moins importante.
Les effets de la turbulence sont le plus souvent peu sensibles à l'oeil nu, de jour, car le pouvoir
de résolution de l'oeil -la finesse des détails qu'il peut distinguer- n'est pas très grand, et les
masses d'air que notre regard traverse ne sont en général pas assez grandes ou assez
turbulentes pour que l'effet de la turbulence soit sensible. Cependant il y a au moins deux cas
où cet effet est perceptible: lorsque l'on regarde par dessus une étendue assez importante de
bitume chauffé par le soleil en été (parking, route), les images sont déformées, dansantes...! Et
la nuit, lorsque l'on regarde les étoiles, la scintillation (le clignotement / tremblement) que l'on
peut observer sous nos cieux agités est aussi une conséquence de l'agitation de l'air au dessus
de nous.
C'est à cause de la turbulence atmosphérique que les astronomes s'attachent à placer leurs
observatoires sous les cieux les plus purs, en s'élevant en altitude par exemple, la masse d'air
entre le télescope et l'objet observée est réduite d'autant et la qualité des images s'accroît.
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