Contrôle de qualité image à température cryogénique sur le
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Titre : Auteurs : Sociétés : CONTROLE DE QUALITE IMAGE A TEMPERATURE CRYOGENIQUE SUR LE TELESCOPE DU SATELLITE ISO F. Hénault, J.L. Devaux, J.B. Ghibaudo, S. Matthews, et C. Cinotti (*) Aérospatiale, établissement de Cannes 100, boulevard du Midi, B.P. 99 06322 CANNES LA BOCCA (France) (*) Agence Spatiale Européenne, ESTEC Postbus 299. 2200 AG Noordwijk THE NETHERLANDS RESUME ISO (Infrared Space Observatory) est un satellite scientifique de l'Agence Spatiale Européenne, destiné à être lancé en 1993. Il emportera un télescope infra-rouge, opérationnel à la température de l'hélium liquide (4 K). Les performances optiques du télescope, en alignement et qualité image, ont été mesurées au cours d'une série d'essais cryogéniques qui se sont déroulés à IAL (Institut d'Astrophysique de Liège, Belgique), sous maîtrise d'oeuvre Aérospatiale. Cette communication présente les principaux résultats et enseignements tirés des mesures de qualité image. Après une brève évocation de l'installation d'IAL, on décrit la série des différents tests optiques dont l'enchaînement aboutit à la surface d'onde du télescope. Ceci inclut la calibration du miroir plan cryogénique de référence (∅ 650) utilisé pour le test final. Les acquisitions de surfaces d'onde sont réalisées au moyen d'un interféromètre équipé d'un modulateur de phase. Compte tenu de l'environnement vibratoire, et des caractéristiques des cavités optiques, il s'est révélé nécessaire de développer une méthode de mesure complémentaire, basée sur l'acquisition rapide des interférogrammes et leur analyse en temps différé par des algorithmes d'interpolation. On présente ensuite les résultats obtenus sur le miroir primaire nu, le miroir plan de calibration, et le télescope assemblé et réglé. Ces derniers essais ont prouvé que le passage à température cryogénique n'affecte pas sensiblement la qualité image du télescope, qui reste limité par la diffraction à 5 µm, conformément à sa spécification. 1 - INTRODUCTION Les méthodes interférométriques sont connues et pratiquées de longue date, comme un des plus sûrs moyens de mesurer la qualité image (en terme de surface d'onde) d'un système optique. Leur utilisation s'est encore accrue ces dernières années, depuis l'apparition sur le marché d'interféromètres complets, intégrant des équipements électroniques et des logiciels sophistiqués, dotés de mémoires et de capacité d'analyse et de calcul en temps quasi-réel. Mais, en dépit de leurs progrès remarquables, ces interféromètres ne constituent pas une solution universelle. Les mesures de qualité image restent toujours difficiles à pratiquer sur des systèmes optiques de grands diamètres, et plus encore lorsque ceux-ci sont placés dans un environnement sévère : ainsi en est-il des mesures interférométriques à température cryogénique, effectuées sur le télescope infra-rouge du satellite ISO. ISO (Infrared Space Observatory), est un satellite de l'Agence Spatiale Européenne, dont le lancement est prévu en 1993, et dont la mission est l'observation astronomique du ciel dans une bande de longueur d'onde de 2.5 à 200 µm. Afin d'éviter tout rayonnement parasite, l'ensemble du système optique (incluant les miroirs, leurs montures, les baffles et les instruments scientifiques) sera installé dans un cryostat et maintenu à une température inférieure à 4 K par circulation d'hélium. DASA-MBB a la responsabilité de la réalisation de la charge utile du satellite, et a confié à Aérospatiale celle du sous-système optique, comprenant le télescope. Avant d'être intégré au cryostat, celui-ci doit bien évidemment être qualifié à température cryogénique. C'est ainsi qu'un programme de tests a été élaboré : les mesures de performance du télescope en qualité image ont nécessité l'utilisation d'un moyen d'essai spécialement adapté au projet, situé à IAL Space (Institut d'Astrophysique de Liège, Belgique). L'originalité de ces mesures optiques et cryogéniques, par rapport à celles du télescope du satellite IRAS [2] (prédécesseur d'ISO), ou à d'autres études similaires [3-4], réside dans le fait qu'il s'agît ici d'un instrument d'optique de grand diamètre (634 mm), limité par la diffraction pour une longueur d'onde λ de 5 µm, avec des précisions de mesure requises meilleures que λ /100 RMS, à toutes les températures atteintes. 2 - LE SOUS-SYSTEPIE OPTIQUE D'ISO Nous nous limiterons ici au télescope, dont les principales caractéristiques optiques sont rappelées ci-dessous. On trouvera une description complète de l'ensemble du sous-système optique dans [1]. Le télescope est une combinaison de type Ritchey-Chrétien de 9 mètres de distance focale, composée de miroirs allégés en silice. Le diamètre du miroir primaire est de 634 mm, pour une pupille d'entrée de diamètre 600 mm. La pupille de sortie est située sur le miroir secondaire. Le rayon du champ de pleine lumière de l'instrument doit être supérieur à 10 minutes d'arc. Le télescope doit être limité par la diffraction sur l'ensemble de ce champ, pour une longueur d'onde λ égale à 5 µm. Cette condition, lorsqu'elle est traduite en termes d'écart RMS de la surface d'onde par rapport à la surface sphérique idéale, conduit à une spécification de λ/l3.5 RMS (critère de Maréchal). Cette exigence doit de plus être satisfaite pour la température du télescope en opération, qui est au-dessous de 3.2 K [1] (hélium liquide). Sa vérification impose donc qu'on puisse disposer d'un moyen de mesure d'une précision dix fois meilleure, ou tout au moins inférieure à λ/100 RMS. L'ensemble des essais de qualification du télescope à température cryogénique a été réalisé à IAL Space (Institut d'Astrophysique de Liège, Belgique), sous responsabilité d'Aérospatiale. Le moyen d'essai est présenté dans le paragraphe suivant. Les résultats finaux (qualité image du télescope), ne sont connus qu'au terme d'une série de 3 tests, dont l'enchaînement est précisé ensuite. 3 - MOYENS ET METHODES DE MESURES 3.1 L'environnement thermique Les différents éléments optiques à tester sont installés dans le caisson à vide “Focal 5” d'IAL Space : il s'agit d'un caisson cylindrique de 5 mètres de diamètre sur 6 mètres de longueur (fig. 1), équipé d'un ou plusieurs hublots suivant la configuration optique retenue [5]. A l'intérieur du caisson se trouve un banc optique horizontal, arrimé à un bloc anti-sismique en béton situé sous la chambre à vide, au moyen de 6 pieds qui traversent la paroi inférieure de Focal 5. Le caisson et le banc optique sont mécaniquement découplés par des soufflets à vide. Ainsi les mesures optiques en cours ne sont en principe pas perturbées par les vibrations mécaniques. L'environnement cryogénique manières différentes : des optiques est assuré de deux 1) - Par rayonnement : l'ensemble des systèmes optiques destinés à être refroidis est placé à l'intérieur d'une double enceinte thermique (dans l'enceinte extérieure circule de l'azote, l'enceinte intérieure étant refroidie à l'hélium) hermétiquement close, à l'exception d'un diaphragme (de diamètre aussi réduit que possible) laissant passer le faisceau optique de mesure, et d'ouvertures à la base, livrant passage aux supports des optiques. Les enceintes thermiques sont suspendues par le haut du caisson et ne sont donc pas censées introduire de vibrations mécaniques sur le banc optique, avec lequel elles ne sont pas en contact. 2) - Par conduction : on utilise ici le principe même du refroidissement des miroirs du télescope [1], tel qu'il sera intégré au cryostat. Des drains thermiques en cuivre collés à l'arrière des miroirs sont reliés à un circuit d'hélium gazeux à 5 K. Il est à noter que ces drains font partie de l'équipement de vol du télescope. L'association de ces deux principes de refroidissement permet d'atteindre des températures de l'ordre de 5 K en 3 jours environ, ce qui porte la durée totale d'un cyclage thermique complet à une semaine, en incluant le temps nécessaire aux mesures optiques. Outre le problème de l'isolation des vibrations mécaniques déjà évoqué, le pilotage thermique et optique des phases de refroidissement et de réchauffage impose un certain nombre de contraintes supplémentaires [5-6] - Environ 150 capteurs de températures, dont les données sont acquises par un mini-ordinateur, sont nécessaires au contrôle des miroirs et de l'ensemble du dispositif [6]. - L'homogénéité en température des miroirs, qui doit être de ± 1 K lors des périodes de mesures, doit rester en permanence suffisamment uniforme afin de ne pas générer de contraintes thermiques (gradients) dans la silice. - Les contractions thermiques des supports d'optiques, bien que limitées au maximum par le choix de pieds en quartz [6], produisent des désalignements qui doivent être compensés en temps réel, grâce à des mouvements motorisés commandés de l'extérieur. Mais le problème de l'obturation du faisceau de mesure optique par les écrans thermiques risque alors de se poser. C'est pourquoi les mouvements des supports, des écrans, et le diamètre de leurs diaphragmes ont fait l'objet d'études spécifiques. 3.2 L'enchaînement des tests optiques Parce que le télescope doit être mesuré à l'aide d'un miroir plan de référence, qui doit lui-même être calibré à température cryogénique, les mesures de qua1ité image finales ne sont accomplies qu'au terme d'une série de tests préalables. Ces tests ont tous un point commun (fig. 2) : l'interféromètre de mesure est toujours situé à l'extérieur de Focal 5, tandis que les calibres optiques (d'ouverture variable suivant les configurations) qui réfléchissent la surface d'onde de référence sont installés à l'intérieur, sur le banc optique, où ils sont maintenus à température ambiante, sous vide. De la sorte, les déformations éventuelles du hublot du caisson n'interviennent pas dans les mesures des surfaces d'onde. [...]
