Brevet FR2920536A1 — publié le 20090306

Dispositif de mesure de la fonction de transfert de modulation d'instruments optiques de grande dimension Le domaine de l'invention est celui du contrôle et de la mesure de la qualité optique d'instruments optiques comportant des éléments optiques de grande dimension. Généralement, ces instruments comportent une optique de grand diamètre qui forme, sur la surface photo-sensible d'un boîtier de détection, l'image d'un objet lumineux à l'infini. Le domaine d'application privilégié est celui des télescopes spatiaux destinés à l'observation terrestre, planétaire ou astronomique. Ces instruments seront envoyés dans l'espace. II est, par conséquent, fondamental de parfaitement connaître leurs performances optiques avant le lancement. On attend des instruments optiques de grande dimension une très grande qualité optique, de façon à conserver l'avantage de leur grande pupille. Si bien conçus et réalisés qu'ils puissent être, il est impossible de faire entièrement confiance à la qualité du montage opto-mécanique de ces instruments et il nécessaire de les contrôler sur des bancs de mesure adaptés. D'une façon plus précise, un instrument d'observation est composé de deux parties, la partie optique appelée télescope et la partie électronique appelée détecteur. Ces deux éléments peuvent avoir été préalablement caractérisés de manière indépendante. La qualité optique de l'instrument est caractérisée par une erreur de phase du front d'onde, encore appelée en terminologie anglo-saxonne WFE, acronyme signifiant Wave-Front Error. Cette WFE prend en compte les aberrations des miroirs du télescope, mais également les différents défauts d'alignement des miroirs constituant le télescope ou du détecteur par rapport au télescope. Connaissant la WFE, on en déduit la fonction de transfert optique du télescope encore notée FTOteiescope• Cette fonction est reliée à la précédente par une classique relation d'auto-corrélation. De la même façon, le détecteur possède sa fonction de transfert optique notée FTOdetecteur. La FTO de l'instrument notée FTOinstrument est le produit de la FTOteiescope et de la FTOdetecteur. Les défauts d'alignement entre les différents composants de l'instrument n'étant pas prévisibles, la mesure de la FTO est indispensable pour caractériser l'instrument. Connaissant la fonction de transfert optique FTOinstrument, on calcule alors la fonction de transfert de modulation FTMinstrument de l'instrument par passage au module de la fonction de transfert de modulation. Un banc de mesure comprend généralement un � marbre � support 1 disposé dans des conditions environnementales maîtrisées. On peut, par exemple, disposé sur ce marbre un caisson à vide 2. L'instrument à contrôler 3 et les moyens de mesure et de contrôle 4 sont alors disposés sur le marbre à l'intérieur du caisson. Sur les différentes figures représentant le banc de mesure, l'instrument à contrôler comporte, à titre d'exemple, un objectif catoptrique à deux miroirs 31 et 32 et un boîtier de détection 33. Pour éliminer les problèmes de vibrations, le caisson est posé sur des colonnes comportant des amortisseurs 5. Les différents moyens opto-électroniques de mesure du banc sont raccordés à une baie de commande 6 extérieure au banc optique. Une première méthode pour contrôler un instrument est illustrée en figure 1. Dans ce cas, les moyens de mesure consistent essentiellement en un collimateur 41 de contrôle fixe. Ce collimateur comporte une pupille de diamètre au moins égal à celui de la pupille de l'instrument à contrôler. Un bloc source d'émission 42 est disposé au foyer du collimateur 41. Ce collimateur doit être de très grande qualité optique, et le bloc source 42 doit être parfaitement réglé à son foyer. Pour la vérification d'instruments de grande dimension, cette solution est onéreuse, la manufacture d'un grand collimateur étant techniquement très complexe et très longue à réaliser. Une seconde méthode pour contrôler un instrument est illustrée en figure 2. Dans ce cas, les moyens de mesure consistent essentiellement en un miroir plan d'auto-collimation 43. L'instrument devient son propre collimateur. Il faut alors disposer une source optique 42 au foyer de l'instrument. Or, cet emplacement est réservé au boîtier de détection 33 de l'instrument. II faut donc réaliser des aménagements opto-mécaniques importants de façon à pouvoir ajouter la source optique ainsi que des moyens optiques de séparation des faisceaux optiques aller et retour. Ces contraintes supplémentaires sont souvent jugées inacceptables par les concepteurs de l'instrument. Le banc selon l'invention comporte un collimateur dont le diamètre est inférieur à celui de l'instrument à mesurer. Ce collimateur est intégré dans un support mobile en translation. Le contrôle total de l'instrument est alors effectué en déplaçant le collimateur dans son support mobile de façon à balayer toute la pupille de l'instrument. Ainsi, on évite les inconvénients précédents : utilisation d'un collimateur à grande pupille ou aménagements complexes du boîtier de détection. Plus précisément, l'invention a pour objet un banc de contrôle optique pour instrument optique, l'instrument comportant un objectif optique et un boîtier de photo-détection disposé au foyer dudit objectif, la pupille de l'objectif optique ayant un diamètre DT, l'instrument à contrôler étant disposé sur le banc, le banc comprenant au moins : • un collimateur équipé d'une source d'émission adaptée audit instrument, le collimateur et l'instrument étant agencés de façon qu'une image de ladite source se forme sur la surface de photo- détection du boîtier, • des moyens d'analyse de ladite image, caractérisé en ce que : • la pupille optique du collimateur a diamètre Dc inférieur au diamètre DT de la pupille de l'objectif, • le banc de contrôle comporte également des moyens de déplacement en translation du collimateur, agencés de façon que le collimateur puisse occuper différentes positions, • pour chaque position, le collimateur éclaire une partie de la pupille de l'objectif optique appelée sous-pupille, une image appelée sous-image se formant sur la surface de photo-détection du boîtier, • l'ensemble des différentes sous-pupilles est agencé de façon à couvrir au moins la pupille de l'objectif optique ; • les moyens d'analyse comportent des moyens de restitution permettant à partir des différentes sous-images de reconstruire la carte de la WFE de la partie optique de l'instrument, somme des aberrations des miroirs du télescope et des défauts d'alignement. Avantageusement, les moyens de restitution comportent : • des premiers moyens permettant de calculer, pour chaque sous-pupille, à partir de l'analyse de chaque sous-image associée, une erreur locale de front d'onde notée WFEk, • des seconds moyens permettant à partir des différentes erreurs locales de front d'onde de calculer l'erreur de front d'onde globale de la pupille de la partie optique de l'instrument, • des troisièmes moyens permettant, à partir de l'erreur de front d'onde globale de la pupille de la partie optique de l'instrument et de caractéristiques photo-électriques du détecteur de retrouver la fonction de transfert de modulation de l'instrument. Avantageusement, les premiers moyens de calcul comprennent un algorithme de restitution de phase, le banc comporte des moyens de translation de la source d'émission, le collimateur a un diamètre D. compris entre 50% et 70% du diamètre DT de l'optique de l'instrument, chaque sous-pupille possède avec au moins une autre sous-pupille une zone de recouvrement d'au moins 20% en surface. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un banc de contrôle optique selon l'art antérieur ; La figure 2 représente un second mode de réalisation d'un banc de contrôle optique selon l'art antérieur ; Les figures 3 et 4 représentent un banc de contrôle optique selon l'invention avec deux positions différentes du collimateur ; La figure 5 représente une vue de la pupille P de l'instrument, de la sous-pupille SPk éclairée par le collimateur dans une première position, et de la sous-image Slk se formant sur le détecteur ; La figure 6 représente une vue de la pupille P de l'instrument et d'une configuration de sous-pupilles SPk éclairées par le collimateur disposé dans différentes positions ; La figure 7 représente une vue de la pupille P de l'instrument et d'une configuration de sous-pupilles SPk éclairées par le collimateur disposé dans trois positions lorsque le collimateur possède une obturation centrale ; La figure 8 représente le lien existant entre chaque sous-image Slk et la surface d'onde WFEk correspondante dans la sous-pupille SPk éclairée ; La figure 9 représente le principe de calcul de l'erreur de front d'onde correspondant à la pleine pupille ; La figure 10 représente une coupe dans l'espace des fréquences de la fonction de transfert de modulation FTM;nstrument de l'instrument, calculée à partir de l'erreur de front d'onde globale WFE de la pupille du télescope et de la FTO du détecteur. A titre d'exemple non limitatif, le banc de contrôle selon l'invention est représenté en figures 3 et 4. Ce banc de mesure comprend un � marbre � 1 placé à l'intérieur d'un caisson à vide 2. L'instrument à contrôler 3 et les moyens de mesure et de contrôle 4 sont disposés sur le marbre à l'intérieur du caisson. L'instrument à contrôler comporte, à titre d'exemple, un objectif catoptrique à deux miroirs 31 et 32 et un boîtier de détection 33. Pour éliminer les problèmes de vibrations, le marbre est posé sur des colonnes comportant des amortisseurs 5. Les différents moyens opto-électroniques de mesure du banc sont raccordés à une baie de commande 6 extérieure au banc qui comprend les moyens d'analyse spécifiques du banc de contrôle selon l'invention. Le collimateur 41 des figures 3 et 4 comporte également un objectif catoptrique à deux miroirs. Le collimateur est équipé d'une source d'émission adaptée à l'instrument et émet une surface d'onde plane, le collimateur et l'instrument étant agencés de façon que ladite source s'image sur la surface de photo-détection du boîtier. La pupille optique du collimateur a un diamètre Dc inférieur au diamètre DT de l'instrument à contrôler. A titre indicatif, le collimateur a un diamètre compris entre 50% et 70% du diamètre du télescope. Le diamètre du collimateur doit être suffisamment grand de façon à limiter le nombre des mesures nécessaires au contrôle. On estime généralement que le nombre de mesures doit être de l'ordre d'une dizaine. Le banc de contrôle comporte des moyens de déplacement en translation 44 du collimateur perpendiculairement à son axe optique, agencés de façon que le collimateur puisse occuper différentes positions. Ces moyens peuvent être des platines en translation motorisées à grande course. La course des moyens de translation est suffisante pour que la partie éclairée du télescope par le collimateur puisse balayer l'ensemble de la pupille de l'instrument. Par exemple, sur la figure 3, le collimateur est en position � haute � et éclaire le haut de la pupille de l'instrument. Sur la figure 4, le collimateur est en position � basse � et éclaire le bas de la pupille de l'instrument. Pour chaque position, le collimateur éclaire une partie de la pupille de l'objectif optique appelée sous-pupille SPk. Par exemple, sur la figure 5, la zone éclairée se situe sur la partie supérieure gauche de la pupille P de l'instrument. On remarque sur cette figure que la pupille de l'instrument possède une obturation centrale OC due au miroir secondaire de l'instrument. Il est clair que le banc selon l'invention fonctionne de la même manière pour des instruments sans obturation centrale. Une sous-image Slk est alors formée sur la surface de photo-détection du boîtier. Sur la partie droite de la figure 5, les variations d'énergie dans cette sous-image Slk sont représentées en représentation surfacique tridimensionnelle. Cette sous-image Slk est transformée par les capteurs du boîtier de détection en signal électrique envoyé aux moyens d'analyse de la baie de commande. L'ensemble des différentes sous-pupilles SPk éclairées par le collimateur est agencé de façon à couvrir au moins la pupille P de l'objectif optique. Le nombre et l'arrangement des sous-pupilles dépend essentiellement des diamètres du collimateur et de l'objectif, de leur géométrie respective et du taux de recouvrement que l'on souhaite obtenir. On estime que chaque sous-pupille doit posséder avec au moins une autre sous-pupille une zone de recouvrement d'au moins 20%. La figure 6 montre un agencement possible où un arrangement de huit sous-pupilles permet de couvrir l'intégralité de la pupille de l'instrument. Dans la plupart des cas, le collimateur possède une obturation centrale OCC. Dans ce cas, comme illustré en figure 7, il est important de choisir un arrangement qui ne laisse pas subsister de zones mortes. Les moyens d'analyse comportent des moyens de restitution permettant à partir des différentes sous-images SIk de reconstruire une carte de la WFE optique de l'instrument en pleine pupille. D'une façon générale, ces moyens de restitution sont des moyens de calcul numériques. Ces moyens comportent : • des premiers moyens permettant de calculer, pour chaque sous-pupille, à partir de l'analyse de chaque sous-image associée, une erreur locale de front d'onde notée WFEk, • des seconds moyens permettant à partir des différentes erreurs locales de front d'onde de calculer l'erreur de front d'onde globale de la pupille de la partie optique de l'instrument, • des troisièmes moyens permettant à partir de l'erreur de front d'onde globale de la pupille de l'instrument et de caractéristiques photo-électriques du détecteur de retrouver la fonction de transfert de modulation de l'instrument. Ces moyens sont détaillés ci-dessous. Comme on l'a dit, il est nécessaire, connaissant la sous-image SIk due à une sous-pupille SPk d'en déduire la WFEk correspondante. Cette fonction est illustrée en figure 8. Sur cette figure, les variations de phase de la WFEk sont représentées par des nuances de gris. On appelle généralement cette opération � restitution de phase � ou en terminologie anglaise : � phase retrieval �. Elle peut être réalisée par un algorithme de restitution de phase itératif. On citera, à titre d'exemple, les algorithmes de type � Gerchberg-Saxton � développés dans les années 1970. Ces algorithmes ont été adaptés aux applications optiques dans les années 1990 à la suite des problèmes optiques rencontrés dans le fonctionnement du télescope spatial � Hubble � et sont actuellement bien maîtrisés. Dans le cas général, cette opération reste complexe dans la mesure où plusieurs WFEs sont susceptibles de donner la même image et dans la mesure où une faible variation de l'image peut être due à une grande variation de l'écart de phase de la WFE. Cependant, dans notre cas particulier, des connaissances a priori telles que la donnée de la WFEtelescope théorique du télescope ou de la FTO du détecteur permettent d'améliorer sensiblement la convergence de l'algorithme de restitution de phase. En pratique, l'algorithme de restitution de phase consiste à ajuster un jeu de paramètres a décrivant la WFE par le biais de méthodes d'optimisation ou d'algorithmes itératifs. Ces coefficients sont, par exemple, des coefficients de Zernike, chacun des coefficients correspondant à un défaut géométrique spécifique comme, par exemple, le basculement de la surface d'onde. Pour lever certaines indéterminations ou en l'absence d'à priori, il est possible d'effectuer les calculs en utilisant de nouvelles sous-images obtenues en introduisant un défaut connu sur la surface d'onde générée par le collimateur. A cet effet, la source d'émission du collimateur peut comporter des moyens de translation. En déplaçant la source d'émission, on introduit un défaut de focalisation parfaitement connu à la WFE optique. Ces nouvelles données sont exploitées par un algorithme dit de � diversité de phase �. Connaissant les différents écarts à la surface d'onde donnés par chaque sous-pupille, les seconds moyens permettent de retrouver l'écart à la surface d'onde globale de la pupille de l'instrument. Cette fonction est illustrée en figure 9. On utilise, à cet effet, un algorithme de recalage adapté. A titre d'exemple, cet algorithme peut être un de ceux que l'on utilise en interférométrie dite de � couplage de zones �, plus connue sous le nom de � stitching interferometry �. Ces algorithmes sont utilisés pour retrouver un écart de front d'onde global à partir d'écarts de front d'onde mesurés localement. Cette étape de recalage permet de réaliser l'union des N cartes des WFEk élémentaires pour retrouver la WFE globale de la partie optique de l'instrument. On s'affranchit ainsi d'erreurs de mesure provenant soit des mouvements des pièces optiques et mécaniques composant l'instrument, soit des erreurs relatives d'alignement dues aux positions successives du collimateur. Connaissant maintenant la WFE de la partie optique de l'instrument, il reste à calculer la fonction de transfert de modulation de 9 l'instrument, notée FTMjnstrument• Cette fonction est illustrée en figure 10. Les calculs effectués dans cette dernière étape sont les suivants : On définit une fonction pupille complexe p à partir de la WFE pleine pupille et de son support po selon l'expression mathématique : iWFE P=Po•e L'auto-corrélation de cette fonction complexe donne la FTO de l'ensemble optique contrôlé encore notée FTOte,escope. On a : FTOtelescope = P � P La FTM de l'instrument est ensuite obtenue en prenant la valeur absolue de la FTO de l'instrument, produit de la FTOtelescope et de la FTOdetecteur. On a : FTMinstrument = I FTOinstrument = I FTOtelescope x FTOdetecteur REVENDICATIONS 1. Banc de contrôle optique pour instrument optique, l'instrument comportant un objectif optique (3) et un boîtier de photo-détection (33) disposé au foyer dudit objectif, la pupille optique de l'objectif optique ayant un diamètre DT, l'instrument à contrôler étant disposé sur le banc, le banc 5 comprenant au moins : • un collimateur (4) équipé d'une source d'émission (42) adaptée audit instrument et émettant une surface d'onde plane, le collimateur et l'instrument étant agencés de façon qu'une image de ladite source se forme sur la surface de photo-détection du boîtier, 10 • des moyens d'analyse (6) de ladite image, caractérisé en ce que : • la pupille optique du collimateur a diamètre Dc inférieur au diamètre DT de la pupille de l'objectif, • le banc de contrôle comporte également des moyens de déplacement 15 en translation (44) du collimateur, agencés de façon que le collimateur puisse occuper différentes positions, • pour chaque position, le collimateur éclaire une partie de la pupille de l'objectif optique appelée sous-pupille SPk, une image appelée sous-image Slk se formant sur la surface de photo-détection du boîtier, 20 • l'ensemble des différentes sous-pupilles SPk est agencé de façon à couvrir au moins la pupille de l'objectif optique ; • les moyens d'analyse comportent des moyens de restitution permettant au moins, à partir des différentes sous-images Slk, de reconstruire la carte de l'erreur de phase du front d'onde optique de 25 l'instrument, encore appelée � WFE �. 2. Banc de contrôle optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de restitution comportent :• des premiers moyens permettant de calculer, pour chaque sous-pupille SPk, à partir de l'analyse de chaque sous-image associée Slk, une erreur locale de front d'onde notée WFEk, • des seconds moyens permettant à partir des différentes erreurs locales de front d'onde WFEk de calculer l'erreur de front d'onde globale WFE de la pupille de la partie optique de l'instrument, • des troisièmes moyens permettant, à partir de l'erreur de front d'onde globale de la pupille de la partie optique de l'instrument et de caractéristiques photo-électriques du détecteur, de retrouver la fonction de transfert de modulation de l'instrument. 3. Banc de contrôle optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens de calcul comprennent un algorithme de restitution de phase. 4. Banc de contrôle optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collimateur est équipé de moyens de translation de sa source d'émission. 20 5. Banc de contrôle optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collimateur a diamètre compris entre 50% et 70% du diamètre de la pupille de l'instrument. 6. Banc de contrôle optique selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce que chaque sous-pupille possède avec au moins une autre sous-pupille une zone de recouvrement d'au moins 20%.15