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  • Le découpeur d’images

    Florence LAURENT



    Description d’un découpeur d’images

    Les spectrographes intégraux de champ à base de découpeurs d’images permettent d’obtenir une grande compacité des spectres sur le détecteur. Les découpeurs d’images sont apparus à la fin des années 30. Mais ce n’est qu’à la fin du siècle dernier, qu’ils sont appliqués à la spectroscopie 3D. Ils peuvent être composés de miroirs plans ou sphériques fabriqués avec diverses technologies et matériaux suivant les spécificités de l’instrument. Depuis 2002, le nombre de découpeurs d’images devant équiper les futurs instruments a très fortement augmenté, créant une véritable activité mondiale de R&D sur ce thème. Cet article décrit le principe du découpeur d’images en mettant l’accent sur les difficultés majeures de dimensionnement.


    1. Principe d’un découpeur d’images

    Un découpeur d’images est basé sur un schéma optique comportant deux conjugaisons optiques, l’une sur la pupille du télescope et l’autre sur le plan focal du télescope. Il est composé principalement de deux ou trois éléments optiques :
    - Le miroir découpeur composé d’un empilement de slices,
    - Les éléments pupille (miroirs ou lentilles),
    - Les éléments fente (miroirs ou lentilles). Dans le cas de deux éléments optiques, une matrice de miroirs secondaires assure le rôle des éléments pupille et fente.


    La « conjugaison pupillaire » se fait de la manière suivante (Figure à gauche) :

    - Chaque miroir composant le miroir découpeur image la pupille du télescope sur son élément pupille (second élément). Chacun de ces miroirs possède des caractéristiques optiques différentes (rayon de courbure, tilt suivant plusieurs directions). Il y a autant d’images de pupilles que de slices. Le plan contenant les images de la pupille du télescope est appelé « plan des pupilles intermédiaires ». La position des pupilles intermédiaires permet de connaître les angles et le rayon de courbure de chaque slice.
    - Les éléments fente (troisième élément) imagent les pupilles intermédiaires sur la pupille d’entrée du spectrographe. Grâce aux caractéristiques des éléments fente (tilts), toutes les pupilles intermédiaires sont imagées en une pupille unique située, à quelques exceptions près, à l’infini sur la pupille d’entrée du spectrographe (système télécentrique). Le plan contenant la pupille de sortie du découpeur d’images (pupille d’entrée du spectrographe) est appelé « plan de la pupille de sortie ». Les caractéristiques géométriques de la pupille de sortie permettent d’appréhender les erreurs cumulées du miroir découpeur et des éléments fentes.


    La « conjugaison champ » se décline en deux étapes (Figure à droite) :

    - Une optique d’entrée (« fore optic » en anglais) image le plan focal du télescope sur le miroir découpeur en créant une anamorphose afin de satisfaire le critère d’échantillonnage de Shannon dans la direction spectrale sur le détecteur.
    - Les caractéristiques optiques des éléments pupille permettent d’imager chaque slice contenant une portion rectangulaire du champ sur les éléments fente. Sur ces derniers, on retrouve une série de mini fentes mises bout à bout formant ainsi une pseudo fente qui constitue la fente d’entrée du spectrographe. Le plan contenant les images des slices est appelé « plan de la pseudo fente ». Dans ce dernier plan, les caractéristiques géométriques des mini fentes permettent de valider les spécifications définies sur les éléments pupilles. De plus, une étude de qualité d’image (Point Spread Function - PSF) est réalisée dans ce plan.


    Par convention :
    - L’axe x est la direction parallèle à la longueur d’une slice, c’est la direction perpendiculaire à la dispersion sur le détecteur.
    - L’axe y est la direction perpendiculaire à la longueur d’une slice, c’est la direction de dispersion sur le détecteur.
    - L’axe z représente l’axe optique principal. Il complète le trièdre direct donné par les axes x et y précédemment définis.
    - Le découpeur d’images désigne l’ensemble du système optique (miroir découpeur, éléments pupille et éléments fente),
    - Le miroir découpeur est un empilement de slices,
    - Une slice est un miroir dont la surface active est située sur la tranche,
    - Les éléments pupille et fente sont des miroirs ou des lentilles.



    2. Caractéristiques des éléments individuels


    2.1 Le miroir découpeur

    Le miroir découpeur est la pièce maîtresse du système découpeur d’images. Il représente un réel défi technologique lors de sa fabrication et de son assemblage. En effet, chaque slice a sa surface active sur la tranche du miroir, dont l’épaisseur est variable autour de 1 mm. Sur cette tranche, une surface sphérique dont le centre de courbure est décalé dans les deux directions x et y est polie (Figure). Chaque slice a ses propres tilts et rayons de courbure avec des fortes tolérances. Les chapitres suivants montrent quelques optimisations qui peuvent être apportées aux caractéristiques des slices en accord avec les spécifications de haut niveau et les contraintes de fabrication. Les slices sont assemblées entre elles afin de former un miroir découpeur. Plusieurs techniques d’assemblage sont utilisées. Pour les miroirs découpeurs en verre, l’adhérence moléculaire apporte une précision d’assemblage inégalée.


    2.2 Les éléments pupille et fente

    Les éléments pupille ont une forme rectangulaire épousant la forme de la pupille et sont positionnés les uns à côté des autres. Contrairement au miroir découpeur, le design optique permet de laisser des espaces de quelques dixièmes de millimètres entre les éléments. L’assemblage peut se faire par adhérence moléculaire, mécaniquement ou par collage. Ils ont, en général, une surface active sphérique tiltée dans les deux directions x et y et des rayons de courbure différents. Géométriquement et optiquement, les éléments fente ressemblent très fortement aux éléments pupille. Suivant les spécificités de l’instrument, les éléments pupilles et fentes sont soit des miroirs, soit des mini lentilles. Dans certains cas, les fonctionnalités des éléments pupille et fente sont données par une seule matrice de miroirs secondaires. De plus, pour améliorer les performances optiques de l’instrument, d’autres éléments tels que des lentilles de champ peuvent être insérées.


    3. Optimisation d’un découpeur d’images

    Dans un premier temps, lorsqu’on dessine un découpeur d’images à l’aide d’un logiciel de tracé de rayons (tel que Zemax), les performances optiques de haut niveau doivent être respectées (qualité image, nombre d’ouverture, dimensionnement…). Une fois que cela est réalisé, le but est de simplifier le design afin de rendre la fabrication, l’assemblage et les tests plus aisés, tout en respectant les spécifications. Quelques exemples d’optimisations possibles sur les caractéristiques d’un découpeur d’images sont :
    - Symétriser les tilts (nombre pair de slices). Ceci permet de placer plusieurs éléments sous la sphère de polissage lors de la fabrication,
    - Dessiner un tilt suivant une seule direction,
    - Rendre les rayons de courbure identiques, totalement ou par lots,
    - Décaler chaque élément suivant l’axe z,
    - Séparer les éléments en lots identiques,
    - Remplacer des miroirs par des lentilles et vice versa,
    - Créer un miroir découpeur avec des slices planes tiltées avec ajout d’un doublet qui permet de remplir la fonction de grandissement du miroir découpeur. L’optimisation des paramètres est un facteur clé qui conditionne le coût, la facilité et la rapidité de la fabrication.


    4. Méthodologie de tests

    En général, pour caractériser un découpeur d’images, on contrôle individuellement tous les éléments optiques à l’aide d’instruments de métrologie tels que l’interféromètre, le profilomètre, le microscope électronique ou le rugosimètre. Une fois ces éléments contrôlés, le découpeur d’images est assemblé étape par étape en fonction des différents plans observés, en suivant la logique de la double conjugaison pupille-champ. Plusieurs séries de mesures sont faites dans les plans suivants :
    - Plan des pupilles intermédiaires (découpeur d’images constitué seulement par le miroir découpeur).
    - Plan de la pseudo fente (miroir découpeur et éléments pupille).
    - Plan de la pupille de sortie (tous les éléments composant le découpeur d’images sont présents sur le banc de tests).

    Cette méthodologie de tests à laquelle s’ajoute quelques variantes est en général adoptée pour tous les tests des découpeurs d’images effectués au CRAL.