Soutenance mémoire
Description de l’instrument
Présentation générale
Cet instrument est destiné à être utilisé principalement au foyer Cassegrain du télescope Bernard Lyot (TBL) du Pic du Midi, avec la caméra CP40 de l’INSU, pour mettre en œuvre les techniques d’interférométrie des tavelures afin d’obtenir des images avec une résolution angulaire de l’ordre de 0.05″. Il constitue un banc d’essai pour les algorithmes de reconstruction d’image développés par le groupe Synthèse d’Ouverture, dirigé par André Lannes. Décrivons maintenant les principales caractéristiques :
• Pupille accessible, avec une roue à masques pupillaires et des trous de diamètre acceptable pour l’usinage : φ ≥ 0.7 mm (pour r0 = 20 cm et D = 2 m, pupille φ7 mm minimum).
• Plan focal d’entrée accessible, avec lentille de champ et possibilité de coronographie.
• Plusieurs grandissements possibles, avec une échelle au niveau du détecteur de 0.0125, 0.025, et 0.100″/pixel (pour un format 256×256, cela implique un champ respectivement de : 3.2″×3.2″, 6.4″× 6.4″ et 25.6″×25.6″).
• Correction de la dispersion atmosphérique avec prismes de Risley.
• Roue à filtres (φ2” et possibilité de filtres thermostatés encombrants φ89 mm, l=55 mm).
• 2 roues à densités neutres.
• Visualisation possible des masques pupillaires et de la pupille sur le détecteur.
• Mire pour la calibration de la distorsion géométrique du système global.
• Adaptation possible sur d’autres télescopes : il suffit de changer les deux oculaires de visualisation de la pupille et de l’analyseur de front d’onde dans la roue de grandissement, et de placer une rondelle à l’entrée pour l’interface mécanique.
• Présence d’un analyseur de front d’onde à micro-lentilles.
• Possibilité de changement du détecteur sans modifications majeures. Ont déjà été montées : la CP40 INSU, la Caméra à Anode Résistive de l’OCA, la caméra CCD intensifiée de l’équipe de C. Aime (Univ. de Nice), la caméra CCD THX1 du TBL, et une caméra CCD intensifiée de notre équipe.
• Enfin, l’instrument est relativement compact (1 m de longueur) pour pouvoir accéder à des objets de faible déclinaison avec le TBL et assez léger pour faciliter la manutention (poids de l’ordre de 70 kg).
Description du montage optique
Composition des roues
Décrivons maintenant la composition des différentes roues :
– Roue EN portant un miroir escamotable, qui est utilisé pour la calibration spectrale en mode spectrographique ou pour la mesure du gain du détecteur (flat fields).
– Roue CH des lentilles de champ avec ou sans masques pour le mode coronographie et une mire pour la calibration de la distorsion géométrique :
• 1 lentille de champ seulement.
• 1 mire constituée de “pavés” carrés avec lentille de champ, pour la correction de la distorsion géométrique.
• 1 mire constituée de deux axes gradués en mm avec lentille de champ, pour l’étalonnage du grandissement.
• 1 masque avec un trou de 100 µm (pour les mesures de front d’onde) et une lentille de champ.
• 1 fente pour la spectroscopie avec lentille de champ.
• 1 masque coronographique (bande étroite de densité 4).
– Roue MA à masques pupillaires :
• 2 masques pour synthèse d’ouverture.
• 1 masque à 4 trous pour la coronographie.
• 1 trame de microlentilles pour analyse du front d’onde.
• 1 trou de diamètre 7 mm.
• 1 trou libre.
– Roue RA composée d’un ensemble de deux prismes disposés tête-bèche pouvant être orientés sur une position quelconque avec une précision de 1/1024ème de tour.
– Roue RB : identique à la roue RA dans sa fonction. Les deux roues 3a et 3b sont montées sur le même support mécanique.
– Roue FA à filtres, à 4 positions, qui peut être utilisée avec des filtres thermostatés :
• 2 filtres thermostatés (φ89 mm, l=55 mm).
• 2 trous.
ou bien dans la configuration :
• 1 grisme bleu, 350–500 nm, (φ40 mm, ép. 25mm).
• 2 filtres non thermostatés (φ52 mm).
• 1 trou.
Notons que cette roue peut être aussi reconfigurée à 6 positions en changeant le plateau supérieur. Mais les centres des trous sont alors très proches et ne permettent pas de monter plus de 3 filtres de 2″ de diamètre.
– Roue FB à filtres :
• 5 filtres non thermostatés (φ52 mm).
• 1 trou.
– Roues DA à densités neutres :
• 5 densités neutres (φ52 mm) : D=1, D=2, D=3 et D=4.
• 1 trou.
– Roue DB : identique à la roue DA, avec :
• 5 densités neutres (φ52 mm) : D=0.2, D=0.4, D=0.6 et D=0.8.
• 1 trou.
– Roue GR d’agrandissement :
Description de l’instrument
• 1 objectif de faible grossissement F=4.5 mm (acquisition).
• 2 objectifs de fort grossissement F=10 mm et F=50 mm (observation).
• 1 ensemble de deux doublets pour visualiser la pupille.
• 1 ensemble de deux lentilles cylindriques pour la spectroscopie (F=10 mm et F=50 mm).
• 1 ensemble de deux doublets pour la mesure du front d’onde.
Possibilité de placer des optiques pour visualiser la pupille et l’analyseur de front d’onde avec un grandissement plus faible, adapté pour des télescopes plus ouverts que le TBL, à F/D=8. Possibilité aussi de placer un ensemble avec un faible grossissement (F=20 mm).
Electronique de commande
Description générale
L’électronique de commande assure le positionnement des différentes roues, et l’allumage des lampes de calibration par télécommande. L’ensemble est géré par un microprocesseur Motorala 6800 et peut être commandé par une console via une liaison RS232. On peut aussi utiliser un PC avec un programme plus convivial qui gère notamment un carnet de bord avec l’enregistrement des paramètres caractéristiques de chacune des poses. Le positionnement des roues à 4 ou 6 positions se fait avec une répétitivité en position à mieux que 1/10ème de millimètre sur l’axe optique, ce qui est très important pour le centrage des optiques, compte tenu des forts grandissements utilisés. Le temps nécessaire pour atteindre une configuration quelconque est relativement court, inférieur dans tous les cas à 30 s, avec la possibilité de lancer plusieurs ordres en même temps. Il vaut mieux cependant être prudent dans un milieu parasité, surtout avec les roues supportant les lampes de calibration et le grisme, qui ne doivent pas faire un tour complet (il existe tout de même une sécurité mécanique).
Commande des roues
Caractéristiques des roues :
– • Roues EN, CH, MA, FB, DA, DB et GR à 6 positions (à 60 degrés).
– • Roues RA et RB des deux prismes de Risley, dont chacune peut être positionnée de façon “continue”, avec un codage à 1024 positions (à 0.35 degrés), et une précision de l’ordre d’un pas.
– • Roue FA des filtres (thermostatés) en deux configurations possibles : 4 positions discrètes régulièrement réparties (à 90 degrés), ou 6 positions régulièrement réparties (à 60 degrés), ne pouvant pas faire un tour complet pour éviter l’enroulement des fils d’alimentation des filtres thermostatés.
Bien sûr, l’instrument fonctionne même lorsqu’une ou plusieurs des roues citées ci dessus ne sont pas branchées. Le codage en position des prismes de Risley se fait par des codeurs optiques, alors que le codage des autres roues est assuré par des codeurs potentiométriques. Toutes les roues sont entrainées par la périphérie avec des moteurs pas à pas avec réducteurs (sauf la roue FA, qui possède un moteur à courant continu). A cause de la zone morte des codeurs potentiométriques, les roues ne font pas plusieurs tours consécutifs, et le passage dans la zone entre les positions 1 et 6 est interdit. Par exemple, pour revenir en position 1 à partir de la position 6, il faut passer par les positions 5, 4, 3 et 2. Ce problème n’existe pas pour les prismes de Risley qui ont un codeur optique. En ce qui concerne l’électronique, sont donc identiques : d’une part les 7 roues (EN, CH, MA, DA, DB, FB et GR) avec 6 positions discrètes à 60 degrés et d’autre part les 2 roues (RA et RB) pour les prismes de Risley. La roue FA se distingue des 6 roues du premier lot par le nombre de positions (4 dans une configuration) et l’impossibilité de faire un tour complet. Toutes les roues à positions discrètes peuvent être immobilisées en position grâce à un dispositif comportant un petit galet maintenu en contact avec la périphérie de la roue par un ressort de rappel, les axes de rotation de la roue et du galet étant parallèles. Le petit galet peut ainsi s’engager dans une des gorges taillées sur la périphérie de la roue et correspondant à chacune des positions discrètes. L’action du ressort contribue au centrage sur ces gorges, et permet une répétitivité dans le positionnement des roues à mieux que 1/10ème de mm au niveau de l’axe optique. Notons qu’il est nécessaire que le diamètre du galet (ici un roulement à billes) soit légèrement supérieur à celui de la gorge, si on veut éviter du jeu après l’immobilisation en position (dans notre cas, le roulement fait 22 mm de diamètre et le galet 20 mm de diamètre). La roue à filtres thermostatés (FA) comporte aussi un tel dispositif de centrage (modification faite en automne 1993). Notons que pour cette roue, le moteur d’entraînement est un moteur à courant continu Escap 28L28.416E avec un réducteur A42 (réduction 1/405). L’entrainement se faisant par une roue satellite de 40 mm alors que la roue principale fait 200 mm, la réduction est de 1/5. La réduction totale est donc de 1/2025. Le blocage en position des prismes de Risley est assuré par frottement. Le jeu des réducteurs des moteurs ramené au niveau des prismes est en effet de l’ordre de 1 degré, ce qui est supérieur à la précision souhaitée de 1/1024è de tour. Un couple de frottement est donc ajusté par serrage des roulements pour le maintien en position. Ce frottement contribue de plus à la création d’un cycle d’hystéresis, ce qui permet d’éviter une instabilité de l’asservissement sur la position fournie par le codeur optique.
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Table des matières
Introduction
I Description de l’instrument
I.1. Présentation générale
I.2. Les performances attendues et les limitations
I.3. Description du montage optique
I.3.a) Schéma optique
I.3.b) Composition des roues
I.4. Electronique de commande
I.4.a) Description générale
I.4.b) Commande des roues
I.4.c) Réductions et vitesses d’entraînement
I.5. Structure mécanique
I.5.a) Description générale
I.5.b) Rigidité : les spécifications
I.5.c) Estimation de la torsion
I.5.d) Estimation de la flexion
I.5.e) Etude par éléments finis
I.5.f) Influence sur la stabilité des images
I.5.g) Mesures de flexion sur l’instrument terminé
I.6. Correction de la dispersion atmosphérique
I.6.a) Principe : correction par prismes de Risley
I.6.b) Calcul de l’angle des prismes
I.6.c) Formules d’indice de l’air atmosphérique
I.7. Mode spectrographe
I.7.a) Principe : spectrographie à grisme
I.7.b) Rappels sur les réseaux et les prismes
I.7.c) Nécessité de lentilles cylindriques
I.7.d) Configuration des différentes roues
I.7.e) Grismes
I.7.f) Lampes spectrales
II Tests sur banc d’optique et exploitation au TBl avec la CP40
II.1. Banc d’essai pour les tests en laboratoire
II.1.a) Principe
II.1.b) Schéma d’ensemble
II.1.c) Choix des distances focales
II.1.d) Caméra CCD intensifiée
II.1.e) Réglage des niveaux de la caméra
II.1.f) Estimation des flux et de la faisabilité
II.2. La caméra CP40
II.2.a) Caractéristiques générales
II.2.b) Problème du “trou du centreur”
II.3. Procédure d’observation
II.3.a) Procédure d’initialisation
II.3.b) Observation d’un objet
II.4. Traitement des données
II.5. Description de l’ensemble du matériel
II.5.a) L’instrument
II.5.b) La caméra CP40 et le rack ELTEC
II.5.c) Configuration pour les tests en laboratoire
III Modes d’observations possibles
III.1. Interférométrie des tavelures
III.2. Interférométrie multi-ouvertures
III.3. Coronographie stellaire
III.4. Mode spectroscopique
Bibliographie
