Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Optique adaptative

mercredi 21 mars 2018, par Eric Gendron

On ne pourrait maintenant plus imaginer de construire un grand tĂ©lescope sans associer Ă  son instrumentation une optique adaptative : en restaurant une qualitĂ© d’image quasiment parfaite, l’optique adaptative centuple les performances du tĂ©lescope. Depuis 1986 oĂą il a menĂ© une activitĂ© de pionnier pour le dĂ©veloppement du premier système d’optique adaptative aux cĂ´tĂ©s de l’ONERA et de l’ESO, l’Observatoire de Paris n’a cessĂ© de s’investir un peu plus dans ce dĂ©veloppement instrumental fondamental pour la haute rĂ©solution angulaire.

ProblĂ©matique, explications et historique de l’optique adaptative au LESIA

La lune vue par NAOS (VLT)

L’histoire de l’optique adaptative au LESIA est une longue histoire, elle a dĂ©butĂ© en 1986. Ce lien vous emmènera vers les explications sur l’optique adaptative, vers son historique au Lesia, et vers la panoplie d’instruments qui y ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s entre 1986 et 2005.

Lien vers l’historique et les explications sur l’optique adaptative

Les thèmes de recherche du LESIA en optique adaptative

Le LESIA dĂ©veloppe particulièrement les thèmes instrumentaux suivants :

VIDEO - Tomographie

animation 3D

  • tomographie : il s’agit de dĂ©velopper l’art et la manière de construire un reconstructeur tomographique le plus prĂ©cis possible, Ă  partir des informations sur la structure atmosphĂ©rique turbulente disponibles via l’instrument, ou via les donnĂ©es disponibles sur le site. Ce reconstructeur tomographique est un opĂ©rateur qui permet de reconstituer les perturbations de phase en trois dimensions au-dessus du tĂ©lescope, Ă  partir des informations intĂ©grĂ©es mesurĂ©es par les diffĂ©rents analyseurs de surface d’onde de l’instrument.
  • boucle ouverte : il s’agit de tester des miroirs dĂ©formables et d’Ă©tablir des protocoles de calibration et des modèles de fonctionnement permettant une reprĂ©sentation fidèle du comportement du miroir en fonction de la tension appliquĂ©e. Le but est de permettre le contrĂ´le de ces miroirs en boucle ouverte en vue de la MOAO (Multi-Object Adaptive Optics).
  • Ă©toile laser : l’analyse de front d’onde sur Ă©toile laser sodium est remplie d’Ă©cueils en raison de la très forte Ă©longation du spot sur le Shack-Hartmann avec un ELT, du profil incertain et variable de la couche de sodium.
  • analyseurs novateurs : c’est une voie alternative et complĂ©mentaire Ă  l’Ă©toile laser (laquelle pose, par ailleurs, son lot de problèmes techniques). Au lieu de faire confiance Ă  une source artificielle laser pour permettre l’analyse de front d’onde, l’idĂ©e ici est de dĂ©velopper des senseurs encore plus performants pour faire l’analyse sur des Ă©toiles naturelles encore plus faibles.
  • GPU (Graphic Processing Unit) : Les thèmes de recherche prĂ©cĂ©dents nĂ©cessitent des simulations numĂ©riques, qui consomment une place mĂ©moire et un temps de calcul considĂ©rables : pour les futurs systèmes d’optique adaptative de l’E-ELT (futur tĂ©lescope gĂ©ant EuropĂ©en) on arrive vite en limite des possibilitĂ©s des machines actuelles. Aussi, c’est tout naturellement qu’on peut penser Ă  utiliser les ressources des GPU pour effectuer les calculs lourds mais parallĂ©lisables. Les GPUs sont des processeurs graphiques multi-coeurs permettant un haut degrĂ© de parallĂ©lisation des calculs. Il s’agit de dĂ©velopper les librairies pour GPU permettant de simplifier le codage des simulations d’OA par un langage de haut niveau. Les GPU peuvent effectuer des opĂ©rations particulières, telles que les calculs matriciels ou les transformĂ©es de Fourier, avec une vitesse de l’ordre de 1000 fois supĂ©rieure au CPU.
  • Reconstruction de PSF et analyse d’image : L’acquisition d’une image sur un dĂ©tecteur n’est pas le dernier point de la chaĂ®ne de l’information : il reste Ă  traiter cette image, et un traitement poussĂ© demande Ă  connaĂ®tre sa rĂ©ponse impulsionnelle (c’est Ă  dire quelle est l’image exacte d’un point-source) appelĂ©e PSF (pour point spread function). La nouvelle problĂ©matique est que dans les systèmes tomographiques Ă  grand champ vont dĂ©livrer une PSF plus complexe, et possiblement variable dans le champ. Il est donc important de pouvoir prĂ©dire la PSF Ă  partir des conditions d’observation de l’instrument. C’est l’objet de la reconstruction de PSF.

Les projets actuels du LESIA en optique adaptative

L’activitĂ© en optique adaptative est motivĂ©e en grande partie par le dĂ©veloppement du tĂ©lescope gĂ©ant europĂ©en E-ELT, notamment pour les projets suivants :

YAW-ADONF

YAW est un projet de recherche & dĂ©veloppement. YAW est un analyseur de front d’onde novateur, inventĂ© Ă  l’Observatoire de Paris. Comme le Shack-Hartmann il mesure la dĂ©rivĂ©e spatiale du front d’onde. Ses avantages sont une parfaite linĂ©aritĂ© dans une gamme donnĂ©e, et l’utilisation d’un très faible nombre de pixels et d’un grand nombre de points de mesure. Pour l’instant seule une version monochromatique a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©e, la version polychromatique est en cours.

EAGLE

EAGLE est un spectrographe multi-objet infra-rouge Ă  intĂ©grales de champ avec optique adaptative (MOAO) pour l’E-ELT, destinĂ© Ă  l’observation des galaxies primordiales. Il a Ă©tĂ© proposĂ© par un consortium franço-anglais dès 2007 Ă  l’ESO. Les rĂ©sultats de l’Ă©tude de phase A ont Ă©tĂ© rendus Ă  l’ESO fin 2010. Cet instrument, extrĂŞment complexe et novateur, avait besoin d’un dĂ©monstrateur ciel, afin de convaincre la communautĂ© de la faisabilitĂ© du projet. Ce dĂ©monstrateur a pour nom CANARY.

Dans un futur proche il est vraissemblable que le concept de EAGLE fusionne avec d’autres concepts de MOS (multi-object spectrographs) proposĂ©s pour l’E-ELT sans optique adaptative. Le regroupement de ces concepts pourrait dĂ©boucher sur un MOS hybride, avec et sans optique adaptative qui portera probablement un autre nom, mais dans lequel les Ă©tudes menĂ©es pour EAGLE seront rĂ©-investies.

CANARY

CANARY est le démonstrateur ciel de EAGLE, installé sur le télescope WHT aux Canaries. CANARY a décroché une première mondiale (communiqué de presse et publication du STFC) en obtenant sur le ciel en Septembre et Novembre 2010 des résultats qui démontrent la faisabilité de la MOAO.

Pour en savoir plus : une page web a Ă©tĂ© dĂ©diĂ©e Ă  CANARY, qui est un des projets importants du groupe Haute RĂ©solution Angulaire au LESIA.

ESO Messenger 140, p18-19

ATLAS

ATLAS est un module d’optique adaptative de type LTAO (tomographie basĂ©e sur une analyse de front d’onde sur Ă©toile laser) pour l’E-ELT. Il est pensĂ© essentiellement pour alimenter l’instrument HARMONI avec une qualitĂ© d’image excellente sur un champ relativement petit.

Le LESIA est impliquĂ© dans les simulations numĂ©riques pour l’analyse de front d’onde sur Ă©toile laser.

ESO Messenger 140, p 32-33

MICADO et module SCAO

Analyseur SCAO Micado

MICADO

MICADO est un instrument imageur infra-rouge proche pour l’E-ELT (en savoir plus, site du MPE) qui vient derrière le module de MCAO appelĂ© MAORY, et qui est Ă©quipĂ© d’un module de SCAO qui serait opĂ©rationnel dès les premières phases de l’instrument, en attendant le module MAORY, plus critique en raison de sa complexitĂ© et de son appui sur les Ă©toiles laser. Le LESIA est responsable de ce module SCAO, qui utilise le miroir dĂ©formable baptisĂ© M4 qui se trouve Ă  l’intĂ©rieur de tĂ©lescope mĂŞme. Le LESIA a rĂ©alisĂ© les Ă©tudes de simulations numĂ©riques et les Ă©tudes de performances pour dimensionner la SCAO, ainsi que les prĂ©-Ă©tudes mĂ©caniques pour l’implantation de ce module.

GPU

L’Ă©mergence des Graphic Processing Units (GPUs) et de leur architecture bien spĂ©cifique les a rendus extrĂŞmement attractifs pour les simulations numĂ©riques de grands systèmes. La taille des simulations numĂ©riques d’un système d’optique adaptative croĂ®t comme le carrĂ© du diamètre du tĂ©lescope, et comme le nombre d’analyseurs. L’addition d’une reprĂ©sentation tomographique (3D) grand champ augmente encore cette taille. L’addition d’Ă©toiles laser Ă  la simulation peut multiplier l’ensemble par un facteur 2 Ă  10. En consĂ©quence, le passage d’un système classique sur un tĂ©lescope de 8 mètres (dĂ©jĂ  consommateur de ressources), Ă  des systèmes Ă  10 analyseurs sur un 40 mètres en mode tomographique avec Ă©toiles laser reprĂ©sente un bond de plus d’un facteur 10000 en puissance de calcul.

Heureusement ces calculs peuvent, en grande partie, ĂŞtre parallĂ©lisĂ©s. L’architecture massivement parallèle des GPU convient idĂ©alement Ă  ce genre de tâche. Le LESIA a dĂ©veloppĂ© un code de simulation sur GPU, et les premiers rĂ©sultats montrent des vitesses de l’ordre de plusieurs milliers d’itĂ©rations par seconde sur un seul GPU pour un système tel que SPHERE, en incluant la simulation de la turbulence.

Le LESIA développe donc des outils permettant le codage simplifié de simulations numériques complexes sur GPU grâce à des bibliothèques pour des langages de haut niveau.

OEIL

Le programme OEIL concerne l’observation de la rĂ©tine humaine in vivo Ă  haute rĂ©solution spatiale (en savoir plus).

SPHERE

SPHERE est un instrument de seconde gĂ©nĂ©ration pour le VLT, dont l’objectif principal est l’imagerie directe de planètes extrasolaires.(en savoir plus, site du Lesia sur Sphere). Le LESIA a diverses responsabilitĂ©s, qui s’Ă©tendent au-delĂ  de l’optique adaptative :

  • du coronographe achromatique Ă  4 quadrants
  • d’un senseur de front d’onde IR qui permet d’asservir la position de l’étoile sur le coronographe
  • des miroirs tip tilt
  • des tests du calculateur temps rĂ©el pour l’optique adaptative
  • des tests d’intĂ©gration de l’optique adaptative en salle blanche du LESIA

GRAVITY

GRAVITY (en savoir plus sur le projet) est le nom d’un instrument interfĂ©romĂ©trique de seconde gĂ©nĂ©ration pour le VLTI, dont la motivation principale est l’observation du trou noir supermassif nommĂ© Sagittarius A* (ou Sgr A*), qui se trouve au centre de notre galaxie, la Voie LactĂ©e. GRAVITY est conçu pour ĂŞtre capable de sonder l’espace–temps jusqu’à la frontière du trou noir, en observant les orbites relativistes des Ă©toiles proches (en savoir plus sur la science). Le LESIA a plusieurs responsabilitĂ©s et implications dans GRAVITY. On peut citer

  • science : dĂ©finition des objectifs scientifiques
  • suiveur de franges : modĂ©lisation des performances, logiciel temps rĂ©el
  • optique adaptative : Ă©tudes et simulations numĂ©riques, logiciel temps rĂ©el (avec MPIA)
  • recombinateur de faisceaux : contrĂ´leur des fibres optiques
  • logiciel de rĂ©duction des donnĂ©es (avec MPE).

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