Clément ESCOLLE OPTIQUE ACTIVE SPATIALE POUR L

AIX-MARSEILLE UNIVERSIT´ E
TH` ESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE AIX-MARSEILLE UNIVERSIT´ E
Discipline : PHYSIQUE ET SCIENCE DE LA MATI ` ERE
Option : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT DU SIGNAL
pr´esent´ee et soutenue publiquement
par
Cl´ement ESCOLLE
le 8 d´ecembre 2015
Titre :
OPTIQUE ACTIVE SPATIALE POUR
L’OBSERVATION A HAUTE R´ ESOLUTION
Directeur de th`ese :
Marc FERRARI
Encadrants :
Vincent MICHAU - Emmanuel HUGOT
JURY
M H. GIOVANNINI Professeur, AMU Pr´esident
Mme H. SCHNETLER Docteur, UK Astronomy Technology Centre Rapporteur
M G. ROUSSET Professeur, universit´e Paris Diderot Rapporteur
M J-B. GHIBAUDO Docteur, Thales Alenia Space Examinateur
M T. BRET-DIBAT Ing´enieur, Cnes Invit´e
M M. FERRARI Astronome, AMU Directeur
M V. MICHAU Maitre de th`ese, Onera Co-directeur

R´esum´e
Pour relever les d´efis de l’observation de la Terre et de l’astronomie, les futurs observatoires
spatiaux vont requ´erir des t´elescopes de plusieurs m`etres de diam`etre. Les diff´erentes contraintes
li´ees `a l’environnement spatial vont induire des d´eformations et des d´esalignements des miroirs
du t´elescope d´egradant ainsi la qualit´e optique des observations. L’int´egration de l’optique active,
utilis´ee depuis la fin des ann´ees 80 pour l’alignement et le maintien de la qualit´e optique des
t´elescopes au sol, devient donc n´ecessaire. Un tel syst`eme est constitu´e de trois ´el´ements : un
dispositif de mesure, une fonction de correction et une boucle de contrˆole qui fait le lien entre
les deux ´el´ements pr´ec´edents.
Les travaux de recherche pr´esent´es dans ce m´emoire de doctorat s’attachent, d’une part, au
d´eveloppement d’un estimateur des perturbations minimisant le front d’onde r´esiduel dans le
champ du t´elescope. L’analyse de cet estimateur et plus g´en´eralement des performances ultimes
d’un syst`eme d’optique active spatial nous a permis de mettre en ´evidence l’impact des hautes
fr´equences spatiales sur la qualit´e optique. La pr´esence de telles hautes fr´equences dues `a l’em-
preinte des supports du miroir primaire nous a pouss´es, d’autre part, `a ´evaluer les possibilit´es de
leur r´eduction dans le cas d’un miroir de grande dimension. A l’aide d’une mod´elisation ´el´ements
finis d’un tel miroir nous avons r´ealis´e des modifications locales de la structure du miroir pour
adapter ses d´eformations aux capacit´es de correction de l’optique active.
Mots-cl´es : optique active ; tomographie ; probl`eme inverse ; t´elescope ; ´el´ements finis.
Abstract
Title: Space active optics for observation at high angular resolution
To meet the challenges of Earth observation and astronomy, future space observatories will
require telescopes of several meters in diameter. The various space environment constraints
will induce deformations and misalignments of the telescope mirrors, thus degrading the optical
quality of observations. The integration of active optics, used since the late 80s for alignment
and preservation of the optical quality of the ground telescopes, becomes mandatory. Such a
system consists of three elements: a measuring device, a correction set-up and a control loop
which links both previous elements.
The research works presented in this PhD thesis focus, on one hand, on the development of a
perturbations estimator minimizing the residual wave front in the telescope field of view. The
analysis of this estimator and more generally of the ultimate performance of a space active op-
tics system enabled us to highlight the impact of high spatial frequencies on optical quality. On
the other hand, the presence of such high frequencies due to the primary mirror supports print
through, urged us to evaluate the possibilities of their reduction in the case of large mirrors. Us-
ing a finite element model of such a mirror, we made local modifications of the mirror structure
to adapt its deformation to the correcting capabilities of active optics.
Keywords: active optics; tomography; inverse problem; telescope; finite element.

Table des mati`eres
Liste des acronymes 1
Introduction 3
Chapitre I Haute r´esolution angulaire pour l’observation de la Terre et de l’Uni-
vers
I.1 Observation depuis l’espace .............................. 7
I.1.1 Besoins observationnels ............................ 7
I.1.2 Contraintes spatiales .............................. 12
I.2 Exemples de t´elescopes spatiaux de grand diam`etre ................. 14
I.2.1 T´elescope spatial James Webb (JWST) ................... 14
I.2.2 T´elescope OTOS ................................ 16
I.3 Conclusion du premier chapitre ............................ 18
Chapitre II Optique active spatiale 19
II.1 Qualit´e optique des t´elescopes ............................. 21
II.1.1 Formation d’image et polynˆomes de Zernike ................. 21
II.1.2 Aberrations optiques des syst`emes d´esalign´es . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.2 Principe de l’optique active .............................. 26
II.2.1 Mesure de la qualit´e optique ......................... 26
II.2.2 Dispositif de correction ............................ 35
v