OPTIQUE ADAPTATIVE

L'OPTIQUE ADAPTATIVE : CORRIGER EN TEMPS RÉEL

L'optique adaptative est la correction en temps réel, par un dispositif optique actif, de la déformation des images induite par la turbulence atmosphérique. Cette performance technique est devenue réalité grâce aux progrès de l'informatique et des composants optiques et grâce à la compréhension approfondie des propriétés de la turbulence atmosphérique. D'abord proposée par un astronome (Horace W. Babcock) dans les années 1950, l'idée fut reprise et mise en pratique sous le sceau de la confidentialité par les militaires américains quand la technologie le permit durant les années 1980 : il s'agissait alors de concentrer le faisceau d'un laser de combat que l'atmosphère dispersait, ou bien encore de pouvoir assurer la surveillance de satellites. C'est cependant aux astronomes, particulièrement en France, que l'on doit les développements les plus décisifs de cette technique dans le domaine civil.

Le principe de fonctionnement d'un système d'optique adaptative (S.O.A.) est schématisé dans la figure. Trois ingrédients de base se retrouvent toujours dans un tel système :

Système : fonctionnement

Principe de fonctionnement d'un système d'optique adaptative. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– un capteur sophistiqué permettant de mesurer la déformation de l'onde ; c'est l'analyseur de surface d'onde, ou A.S.O. ;

– un composant optique « adaptatif », c'est-à-dire capable de créer une déformation contrôlée du front d'onde ; il s'agit généralement d'un miroir déformable comportant des actionneurs dont le nombre détermine la finesse de la capacité de correction ;

– un calculateur rapide et un logiciel spécialisé traduisant les mesures de déformation du front d'onde en corrections à appliquer.

Le vecteur de la mesure est toujours une source lumineuse de référence, suffisamment proche de l'objet dont on voudra former l'image pour que les rayons lumineux issus des deux sources traversent les mêmes couches turbulentes. Quand c'est l'objet visé lui-même qui sert de source de référence, une fraction de la lumière est détournée pour la mesure.

Plusieurs concepts existent pour l'analyseur de surface d'onde (A.S.O.) ; presque tous ont en commun le principe de découpage du faisceau en un nombre de cellules élémentaires, les sous-pupilles, dont chacune fournira une image de la source de référence par l'intermédiaire d'un dispositif optique, comportant souvent un réseau de lentilles. Ce découpage est rarement réalisé au niveau de la surface de l'optique d'entrée, c'est-à-dire de la pupille : difficile en effet d'imaginer un tel découpage à la hauteur d'un miroir de télescope de 8 mètres de diamètre, par exemple ; c'est plutôt à la position d'une image réduite de cette pupille que la segmentation intervient, en général grâce à un réseau de microlentilles. De la collection d'images fournies par ces réseaux sera extraite une information locale sur la partie de front d'onde délimitée par la sous-pupille. Parfois, cette information sera la déclivité, ou pente locale : c'est le principe de Shack-Hartmann, qui mesure le déplacement du centre de gravité de l'image de la source de référence. Dans un autre cas, c'est le creusement local de l'onde (sa courbure) qui est mesuré : c'est la méthode de l'analyse de courbure imaginée par l'astronome français François Roddier, où le défaut de focalisation qu'introduit la courbure de l'onde est mesuré. Dans les deux cas, c'est une dérivée de la surface d'onde qui est obtenue (au sens mathématique du mot, en l'occurrence dérivées premières et secondes, respectivement), et un premier rôle du calculateur sera de recréer par intégration et continuité la surface originale de l'onde. Les détecteurs associés à l'A.S.O. doivent dans tous les cas offrir d'excellentes performances en rapidité, car une règle généralement admise par les automaticiens impose une vitesse d'analyse dix fois supérieure à la fréquence de correction la plus haute du système : une cadence d'analyse atteignant 1 000 images par seconde est souvent demandée. Les C.C.D. et les diodes à avalanches, deux technologies aux performances proches des limites fondamentales, sont les capteurs les plus usités.

Fondamentalement, un système d'optique adaptative est un asservissement : la mesure effectuée par l'A.S.O. est toujours en aval du composant optique adaptatif et constitue donc une mesure de zéro ; c'est l'écart de l'onde corrigée à l'onde plane idéale qui est déterminé et injecté en contre-réaction sur les actionneurs.

Le calculateur en temps réel va manipuler les mesures fournies par l'A.S.O. pour, dans une première phase, reconstituer le front d'onde dans son ensemble, puis pour en extraire l'information de correction qui sera appliquée aux actionneurs du miroir déformable. Dans les premiers temps de l'optique adaptative, une liaison directe entre mesure de la sous-pupille et actionneurs géométriquement en correspondance était de mise, mais rapidement l'idée d'une analyse et d'une correction globale, s'adressant aux différentes échelles plutôt qu'aux zones du faisceau, s'est imposée : c'est le principe de la correction modale, par opposition à la correction zonale, qui permet une meilleure efficacité, notamment parce qu'elle s'adapte aux conditions en évolution de la turbulence et qu'elle prend mieux en compte un phénomène qui est par nature multi-échelle. Avec des algorithmes faisant largement appel au calcul matriciel et une rapidité de calcul imposée, l'optique adaptative a longtemps été dominée par des calculateurs spécialisés, mais les progrès fulgurant en informatique permettent aujourd'hui d'envisager que l'ordinateur personnel de M. Tout-le-monde puisse assurer ces fonctions.

Le dispositif optique adaptatif, sans doute le plus critique des éléments, en tout cas celui de plus grande visibilité, est le cœur du S.O.A. Il doit être capable d'introduire un retard optique ajustable en tout point du front d'onde (en général on parle en termes de déphasage de l'onde), avec une réponse très rapide et une amplitude suffisante pour compenser les effets atmosphériques. Pour assurer une telle fonctionnalité, on peut imaginer de jouer sur l'indice optique d'un matériau transparent ou sur la géométrie de surfaces.

Les recherches autour de composants en transmission mettant en jeu des matériaux d'indice de réfraction contrôlables par une tension électrique sont prometteuses, mais n'ont pas encore vraiment donné de systèmes opérationnels. Le composant adaptatif le plus couramment utilisé demeure le miroir déformable, généralement une fine lame polie optiquement, collée sur un réseau d'actionneurs piézo-électriques, chacun définissant une zone d'influence sur la surface optique .

Deux grandes familles de miroirs déformables sont considérées : celle où l'actionneur, en général un transducteur piézo-électrique auquel sont appliquées des tensions de quelques centaines de volts, fonctionne en poussant ou en tirant sur la surface du miroir, et celle où le matériau piézo-électrique se courbe sous le miroir, suivant un principe analogue à celui du bilame, provocant alors une bosse locale plus ou moins c [...]

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