Page de questions fréquentes et de commentaires sur le dispositif de mesure de front d'onde par Shack Hartmann
Un Shack Hartmann est composé de cinq éléments de base :
Pour un obtenir un niveau de performance minimum, ces éléments doivent être optimisés
et dimensionnés en fonction de l'application et de la configuration
optique. Cette optimisation se réalise par des calculs ou des
simulations optiques à l'aide d'un logiciel comme
Zemax.
La contrainte la plus importante est d'avoir un nombre de spots Shack Hartmann
suffisamment importants pour réaliser une mesure fiable et réaliste du front d'onde.
Cela se traduit par une taille de pupille suffisante projeté sur le CCD
par le collimateur. Donc par voie de conséquence la taille de capteur
CCD, un pas de microlentille adapté ainsi que leur focale sont
déterminants. Le trou de référence n'a pas besoin d'être optimisé, il fait
toujours 5 à 10µm de diamètre.
Comme tout système optique, le dimensionnement de ces quatre éléments dépend de l'application et de l'optique devant lequel on le met. On peut classer
par familles ces applications :
1.) Mesure de front d'onde d'un télescope (mesure des performances optiques
du système)
Il s'agit de mesurer la qualité d'un système optique sur le ciel ou
devant un collimateur. Dans ce cas, le F/D du système est dimensionnant.sur le collimateur, c'est a dire, un F/D de 3
produira (par exemple) un collimateur de
5mm de focale et un F/D de 15 devra utiliser un collimateur de 30 mm.
La longueur focale et le pas des microlentilles pourra gardé constant,
ainsi que la taille des pixels et la dimension du détecteur.
La précision en relatif est de lambda/50 et en absolu Lambda/20, ce qui
est largement suffisant pour caractériser un système optique. La cadence
image du détecteur n'est pas très relevant dans ce type d'applications.
2.) Mesure de la turbulence (front d'onde déformé par la turbulence)
Les même contraintes que le point 1.) s'appliquent, simplement, la focale des microlentilles
pourra être réduite comparé au cas 1.) a l'aide d'un autre réseau de
microlentilles. Les déformations de front d'onde à mesurer sont très importantes
(de l'ordre de 5 lambda a lambda/4). La cadence image du détecteur
compte dans ce type d'applications.
3.) Mesure d'un miroir au centre de courbure, avec source au centre de
courbure
Cette mesure peut remplacer très avantageusement la méthode de Foucault, de
part sa très grande précision, répétitivité et rapidité
Ce cas est plus compliqué que les autres, dans la mesure, ou une
caustique (front d'onde très déformé) se doit d'être jaugé
correctement,
et que les déformations de caustique varient beaucoup entre un miroir de
150mm F/10 et un miroir de 600 a F/3 (par exemple).
Alors que les cas précèdent, on cherche a mesurer un front d'onde plan
(ou presque!).
Concernant le F/D et la focale du collimateur, les mêmes considérations
que le point 1.) et 2.) s'appliquent, mais la focale des collimateurs
est plus grande (le double des points 1.) et 2.). Ceci a un impact aussi
sur la taille du capteur CCD.
En général, comme l'on a a faire a des pupilles de 5 a 6 mm sur le
capteur, un capteur type webcam (2.5x3.5mm) se révèle insuffisant. Un
capteur comme le kaf0400 (par exemple) semble bien mieux adapté
Enfin, le diaphragme de champ, doit faire dans les 1000µm.
Comment faire alors ?
On peut se fixer le détecteur et le réseau de microlentilles, et avoir
plusieurs focale de collimateurs. c'est la solution plus économique. Comme
le système est modulaire opto mécaniquement, cela s'avère possible de jouer sur
les différentes focales de collimateurs.
Mais il faudra bien se garder a l'esprit que ce type de configuration ne
peut pas répondre à toutes les applications et F/D surtout dans le cas
d'application n°3. Mais un choix judicieux
permettra d'en balayer le maximum en fonction des rapports F/D des systèmes
optiques que l'on veut
mesurer.
Le plus contraignant est l'application 3, surtout si l'on veut mesurer
de gros diamètres et/ou de petits F/D.Il va nécessiter un gros capteur.
Donc le mieux est de nous fournir :
Les applications, et les F/D des instruments a tester.
Question 1
De M.Meunier, "Tu as utilisé l'étoile
Acturus et un T600, n'est ce pas un peu limitatif, est ce applicable à
des telescopes de taille plus modeste ?"
Réponse 1
J'ai utilisé une webcam avec un temps d'intégration de 1/300s à
30 images par seconde
- Si tu veux analyser la turbulence sur un télescope de 200mm, il suffit de
poser 1/30ieme de sec, un 200mm est moins sensible à la turbulence qu'un
600mm, donc le passage de 1/300ieme a 1/30 n'est pas critique, mais je suis
intéressé pour de réaliser des test avec ce type de télescope. Le nombre
de microlentilles est aussi un facteur important, on peut le réduire pour gagner
de la lumière, au détriment de la précision de reconstruction du front d'onde.
- Si tu veux faire de l'analyse optique (collimation, contrôle de miroir), il
suffit de poser pour avoir un peu de signal dans chaque image, le compositage
de 600 images fera le reste. Aussi, on peut utiliser une camera CCD classique
et poser 1 à 2 min sur des étoiles bien plus faibles qu'Acturus.
Question 2
Jean-Christophe Le Floch [jean-christophe.le-floch@wanadoo.fr]
Bravo et super ton exposé sur le Shack-Harmann.
D'après tes explications tu calcules les coefficients à partir
de plusieurs images webcam. Cela prend pas mal de temps. N'est pas contradictoire
avec le temps de réaction d'un dispositif qui doit agir dans les plus
bref délais sur un tip-tilt et sur un miroir déformant.
Réponse 2
Les coefficients sont calculés à l'aide d'une image : soit
une image individuelle issue de la webcam, mais dans ce cas le front d'onde
est très affecté par la turbulence. Ou soit sur une seule image, qui
est l'image résultante d'une addition des 600 images de la séquence de
30sec. Dans le second cas on mesure les défauts optiques, la turbulence étant
moyenné. Le temps de calcul des coefficients de polynômes est rapide
(une fraction de seconde ?). En optique adaptative, la cadence est de 500 calculs
de fronts d'ondes par seconde, et nécessite de gros calculateurs temps réels.
la correction en plus a lieu pour un domaine spectral au delà de 2µm (télescope
classe 3-8m). Avec des télescopes plus petits, (400-1000mm), la correction du
front d'onde dans le visible est certainement possible (avec de bon strehl ratios),
il faut corriger le tip-tilt avec un miroir, et les déformations avec un autre
miroir : c'est encore un problème que de se procurer ces miroirs à bas
coûts. J'ai réalisé ces manipes pour deux raisons : avoir un
système
pour contrôler la qualité optique d'un télescope et de sa collimation,
et avoir une meilleure connaissance, par l'approche expérimentale, de la turbulence.
Quant à mettre des miroirs de tip-tilt et déformables, c'est une autre
histoire ;-))))
Commentaire n°1
Cyril,
J'ai été très impressionné par ton boulot autour
de ton Shack Hartmann.
J'ai participé moi-même à une séquence de mesures
sur le télescope de Ritchey-Chrétien 1m de l'observatoire de Berne
(Suisse) en utilisant un HASO32 de chez nous qui possède la faculté
de mesurer un front d'onde de manière absolu à lambda/100 rms.
L'étoile cible était Vega.
Plus que les perturbations atmosphériques, les phénomènes
les plus gênant étaient les mouvements convectifs de l'air dans
le tube du téléscope.
En effet, ils ne se moyennent que difficilement car étant beaucoup plus
lent que l'atmosphère.
A force de moyenner, on a réussi à détecter lambda/2 d'astigmatisme
et un peu de coma au centre du champ.
La coma augmentait au bord du champ.
Les constructeurs du télescope ont alors calculé le mouvement
à appliquer au secondaire pour compenser l'astigmatisme (via CodeV).
Le réglage a été effectué et d'autres mesures ont
confirmé l'excellente qualité du télescope.
Juste un petit conseil : Chiade la mécanique car le maintien en place
de la matrice de microlentilles par rapport au CCD est vraiment le point important
de ce genre de système.
Encore toutes mes félicitations !!!!
Guillaume
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Guillaume Dovillaire
Responsable produits
Analyse et Correction de Surfaces d'onde
IMAGINE OPTIC
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