Le projet OVLA (Optical Very Large Array) consiste en un interféromètre stellaire dédié à l'imagerie à haute résolution dans le domaine visible et infrarouge. Il est composé de 27 télescopes mobiles répartis sur une base de plusieurs kilomètres. En effet, la mobilité des télescopes assure à la fois l'égalité des chemins optiques ainsi qu'une couverture u-v homogène.<br /><br />Pour assurer ce besoin de mobilité, chaque télescope OVLA devra être à la fois stable, léger, compact et autonome. Un télescope prototype, d'un diamètre de 1.52m, est en construction à l'OHP. Il possède une monture sphérique et un miroir actif. Pour des raisons de coût, le miroir est en verre ordinaire d'une épaisseur de 24mm seulement. Les flexions du miroir sont alors compensées par 29 actuateurs.<br /><br />Mon travail a tout d'abord concerné l'étude et la réalisation des systèmes de contrôle de la monture et du miroir actif. Je détaille également le système de chauffage de la surface du miroir permettant de compenser efficacement les déformations thermiques du miroir.<br /><br />Les premiers résultats obtenus sur le ciel avec le miroir actif dans la monture sphérique sont présentés. L'avenir ainsi que les retombées technologiques et industrielles du télescope prototype OVLA sont également discutés.<br /><br />Je m'intéresse ensuite au principe de la « pupille densifiée » (Labeyrie, 1996) qui permet d'améliorer considérablement le contraste des images obtenues au foyer d'un interféromètre. Je démontre alors qu'il possible de transformer le concept initial d'OVLA en un véritable hypertélescope.<br /><br />Enfin, dans le cadre de l'étude TPF lancée par la NASA, je présente un modèle de voiles solaires assurant le pointage et le cophasage d'un interféromètre spatial composé de free-flyers. De tels interféromètres permettront d'obtenir l'image de systèmes exo-planètaires.

L'Optique Active est une discipline en plein essor qui a obtenu ses lettres de noblesse sur les plus grands télescopes du monde. Les grands projets instrumentaux en cours ou à venir intègrent désormais l'Optique Active à tous les niveaux de leur conception. Les miroirs actifs présentent l'avantage d'une grande qualité de surface combinée à une versatilité et une flexibilité qui en font des pièces indispensables pour réaliser des télescopes et instruments de plus en plus performants an d'atteindre les objectifs scientifiques du futur. Trois techniques d'Optique Active, basées sur le polissage sous contrainte et la déformation in situ, sont au cœur du travail présenté. Ces techniques sont développées dans le cadre de trois projets majeurs de la communauté astronomique : 1) le miroir secondaire déformable du VLT, 2) l'instrument de recherche d'exoplanètes Sphere sur le Vlt et 3) le projet de spectrographe grand champ multi-objet Eagle pour l'European-Elt. A partir de la théorie des plaques minces en flexion, les modèles analytiques permettent de définir les configurations de charges et distributions d'épaisseur des substrats de miroirs à déformer. Les analyses par éléments finis sont un atout majeur pour l'optimisation et la validation des techniques proposées. De nombreuses passerelles sont utilisées ou créées entre élasticité, théorie des aberrations et analyse spectrale an d'évaluer la qualité optique des déformations de surfaces des miroirs. Trois procédés de fabrication sont ainsi développés de bout en bout an de produire une lame mince convexe hyperbolique, des miroirs toriques de grande précision et de miroirs à toricité variable de grande dynamique, le point commun de ces procédés étant l'excellente qualité de surface des miroirs.

Pour relever les défis de l'observation de la Terre et de l'astronomie, les futurs observatoires spatiaux vont requérir des télescopes de plusieurs mètres de diamètre. Les différentes contraintes liées à l'environnement spatial vont induire des déformations et des désalignements des miroirs du télescope dégradant ainsi la qualité optique des observations. L'intégration de l'optique active, utilisée depuis la fin des années 80 pour l'alignement et le maintien de la qualité optique des télescopes au sol, devient donc nécessaire. Un tel système est constitué de trois éléments : un dispositif de mesure, une fonction de correction et une boucle de contrôle qui fait le lien entre les deux éléments précédents.Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire de doctorat s'attachent, d'une part, au développement d'un estimateur des perturbations minimisant le front d'onde résiduel dans le champ du télescope. L'analyse de cet estimateur et plus généralement des performances ultimes d'un système d'optique active spatial nous a permis de mettre en évidence l'impact des hautes fréquences spatiales sur la qualité optique. La présence de telles hautes fréquences dues à l'empreinte des supports du miroir primaire nous a poussés, d'autre part, à évaluer les possibilités de leur réduction dans le cas d'un miroir de grande dimension. A l'aide d'une modélisation éléments finis d'un tel miroir nous avons réalisé des modifications locales de la structure du miroir pour adapter ses déformations aux capacités de correction de l'optique active. / To meet the challenges of Earth observation and astronomy, future space observatories will require telescopes of several meters in diameter. The various space environment constraints will induce deformations and misalignments of the telescope mirrors, thus degrading the optical quality of observations. The integration of active optics, used since the late 80s for alignment and preservation of the optical quality of the ground telescopes, becomes mandatory. Such a system consists of three elements: a measuring device, a correction set-up and a control loop which links both previous elements.The research works presented in this PhD thesis focus, on one hand, on the development of a perturbations estimator minimizing the residual wave front in the telescope field of view. The analysis of this estimator and more generally of the ultimate performance of a space active optics system enabled us to highlight the impact of high spatial frequencies on optical quality. On the other hand, the presence of such high frequencies due to the primary mirror supports print through, urged us to evaluate the possibilities of their reduction in the case of large mirrors. Using a finite element model of such a mirror, we made local modifications of the mirror structure to adapt its deformation to the correcting capabilities of active optics.

La prochaine décennie instrumentale en astronomie se veut extrême. Elle s’ouvre avec l'arrivée des ELTs (Extremely Large Telescopes). Leur miroir primaire géant permettra d'augmenter considérablement la quantité de flux collectée et d'améliorer la résolution angulaire, paramètres clés pour l'observation et l'imagerie de sources astrophysiques. Des conséquences directes sont l'augmentation de la complexité, de l'envergure et de la masse des instruments placés aux foyers de ces télescopes. Une solution passe par l'utilisation de miroirs de formes libres. Or aujourd’hui, obtenir ces formes exotiques via les méthodes traditionnelles de fabrication optique n’est pas possible et un appel à de nouvelles ruptures technologiques s'avère nécessaire. Cette thèse présente un travail de recherche et développement amont portant sur un procédé de fabrication innovant permettant de fournir des miroirs de formes libres, avec les performances optiques requises en observations visibles et infrarouges. Ce procédé est une évolution des techniques d'Optique Active et exploite la déformation plastique des matériaux métalliques. Cependant, le domaine plastique reste un domaine de comportements non-linéaires analytiquement complexes. Il est alors d'intérêt de comparer des modèles par éléments finis avec des essais réels. Ces derniers ont nécessité la mise en place de la gamme complète de fabrication des substrats et des moyens d’essais. Les premiers miroirs obtenus pourront mettre en évidence les paramètres principaux à prendre en compte ainsi que leur niveau de sensibilité, pour ensuite converger vers des modèles éléments finis fiables et une solution de fabrication optique maîtrisée. / The next instrumental decade in astronomy aims to be extreme. It opens with the arrival of ELTs (Extremely Large Telescopes). Their giant primary mirrors will increase the light collecting power and the angular resolution, key parameters for observing and imaging of celestial bodies. However, this also leads to an increase in the complexity, size and weight of their focal-plane instruments, to minimize flux lost and to correct for the aberrations introduced. A solution would be to implement freeform mirrors inside the optical systems of these instruments. Today, it is not possible to obtain these exotic mirror shapes using the current optical fabrication techniques and new technological breakthroughs in this domain are essential. This PhD thesis present research and development work, in upstream phase, of an innovative manufacturing process to supply freeform mirrors, which should meet required optical performances in Visible and Infrared wavelength astronomical observations. This method is an evolution of Active Optics techniques and based on the ability of metallic materials to plasticize. However, the plasticity of metallic materials remains a field of non-linear behaviours and analytically complex. It is important to compare modeling from finite element analysis and real tests. For these tests, the complete manufacturing steps of the metallic substrates were put in place. The first mirrors obtained will highlight the main working parameters and their sensibility levels, and then converge toward reliable finite elements models and a mastered solution of optical freeform mirrors fabrication.

Le besoin tant en haute qualité d'imagerie qu'en structures légères est l'un des principaux moteurs pour la conception des télescopes spatiaux. Un contrôle efficace du front d'onde va donc devenir indispensable dans les futurs grands observatoires spatiaux, assurant une bonne performance optique tout en relâchant les contraintes sur la stabilité globale du système. L'optique active consiste à contrôler la déformation des miroirs, cette technique peut être utilisée afin de compenser la déformation des grands miroirs primaires, afin de permettre l'utilisation d'instrument reconfigurable ou afin de fabriquer des miroirs asphériques avec le polissage sous contraintes. Dans ce manuscrit, la conception de miroirs actifs dédiés à l'instrumentation spatiale est présentée. Premièrement, un système compensant la déformation d'un grand miroir allégé dans l'espace est conçu et ses performances sont démontrées expérimentalement. Avec 24 actionneurs, le miroir MADRAS (Miroir Actif Déformable et Régulé pour Applications Spatiales) effectuera une correction efficace du front d'onde dans un relais de pupille du télescope. Deuxièmement, un harnais de déformation pour le polissage sous contraintes des segments du télescope géant européen de 39 m (E-ELT) est présenté. La performance du procédé est prédite et optimisée avec des analyses éléments finis et la production en masse des segments est considérée. Troisièmement, deux concepts originaux de miroirs déformables avec un nombre minimal d'actionneurs ont été développés. VOALA (Variable Off-Axis parabola) est un système à trois actionneurs et COMSA (Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator) est un système à un actionneur. / The need for both high quality images and light structures is one of the main driver in the conception of space telescopes. An efficient wave-front control will then become mandatory in the future large observatories, ensuring the optical performance while relaxing the specifications on the global system stability. Consisting in controlling the mirror deformation, active optics techniques can be used to compensate for primary mirror deformation, to allow the use of reconfigurable instruments or to manufacture aspherical mirror with stress polishing. In this manuscript, the conception of active mirrors dedicated to space instrumentation is presented. Firstly, a system compensating for large lightweight mirror deformation in space, is designed and its performance are experimentally demonstrated. With 24 actuators, the MADRAS mirror (Mirror Actively Deformed and Regulated for Applications in Space) will perform an efficient wave-front correction in the telescope's pupil relay. Secondly, a warping harness for the stress polishing of the 39 m European Extremely Large Telescope segments is presented. The performance of the process is predicted and optimized with Finite Element Analysis and the segments mass production is considered. Thirdly, two original concepts of deformable mirrors with a minimum number of actuators have been developed. The Variable Off-Axis parabola (VOALA) is a 3-actuators system and the Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator (COMSA) is a 1-actuator system.

Le report sur des lentilles optiques à surface courbe de films plans, souples et fragiles est un verrou à lever pour permettre un saut technologique dans le domaine de l'optique ophtalmique active. En effet, pour bénéficier des avantages d'une fabrication collective il est impératif de rester en mode de fabrication sur substrat plan et de reporter ensuite les films préfonctionnalisés sur les verres. Il convient donc de préserver cet hétéro-assemblage au cours du report, l'intégrité de la fonction implémentée en minimisant à la fois la déformation, le stockage de contraintes mécaniques et la température pendant le thermoformage. Dans ce travail de thèse nous proposons un principe de report qui permet de satisfaire au mieux ces exigences en séparant la phase de mise en forme réalisée par gonflement de l'étape du report proprement dit. Un premier outillage spécifique qui a été conçu et développé pour mettre au point le procédé décrit. L'optimisation des conditions opératoires est déclinée pour deux modes différenciés et imposés qui considèrent d'abord le report sur lentille brute et ensuite le report sur un verre déjà détouré au gabarit de la monture de lunettes. Pour prédire et/ou interpréter les comportements expérimentaux obtenus pour chacun des deux modes, nous avons mené des simulations numériques par la méthode des éléments finis en nous appuyant sur une caractérisation préalable des propriétés thermomécaniques du film PET qui constitue l'armature du film optique fonctionnalisé. Au prix d'une complexification du procédé de transfert, le second mode a donné lieu à des résultats intéressants qui aujourd'hui semblent répondre aux exigences les plus sévères du projet.

Le besoin tant en haute qualité d'imagerie qu'en structures légères est l'un des principaux moteurs pour la conception des télescopes spatiaux. Un contrôle e fficace du front d'onde va donc devenir indispensable dans les futurs grands observatoires spatiaux, assurant une bonne performance optique tout en relâchant les contraintes sur la stabilité globale du système. L'optique active consiste à contrôler la déformation des miroirs, cette technique peut être utilisée afin de compenser la déformation des grands miroirs primaires, afin de permettre l'utilisation d'instrument reconfigurable ou afin de fabriquer des miroirs asphériques avec le polissage sous contraintes. Dans ce manuscrit, la conception de miroirs actifs dédiés à l'instrumentation spatiale est présentée. Premièrement, un système compensant la déformation d'un grand miroir allégé dans l'espace est conçu et ses performances sont démontrées expérimentalement. Avec 24 actionneurs, le miroir MADRAS (Miroir Actif Déformable et Régulé pour Applications Spatiales) e ffectuera une correction e fficace du front d'onde dans un relais de pupille du télescope. Deuxièmement, un harnais de déformation pour le polissage sous contraintes des segments du télescope géant européen de 39 m (E-ELT) est présenté. La performance du procédé est prédite et optimisée avec des analyses éléments finis et la production en masse des segments est considérée. Troisièmement, deux concepts originaux de miroirs déformables avec un nombre minimal d'actionneurs ont été développés. VOALA (Variable O ff-Axis parabola) est un système à trois actionneurs et COMSA (Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator) est un système à un actionneur. Les systèmes actifs présentés dans ce manuscrit off rent de nombreux avantages pour une utilisation dans les futurs grands observatoires spatiaux: nombre de degrés de liberté limités, compacité, légèreté, robustesse et fiabilité. Ils permettront d'importantes ruptures technologiques et l'apparition d'architectures de télescope innovantes.

Les travaux exposés portent sur les techniques d'imagerie optique à haute résolution et plus particulièrement sur les méthodes, dites d'inversion, de traitement des données associées à ces techniques. Ils se situent donc à la croisée des chemins entre l'imagerie optique et le traitement du signal et des images. Ces travaux sont appliqués à l'astronomie depuis le sol ou l'espace, l'observation de la Terre, et l'imagerie de la rétine. Une partie introductive est dédiée au rappel de caractéristiques importantes de l'inversion de données et d'éléments essentiels sur la formation d'image (diffraction, turbulence, techniques d'imagerie) et sur la mesure des aberrations (analyse de front d'onde). La première partie des travaux exposés porte sur l'étalonnage d'instrument, c'est-à-dire l'estimation d'aberrations instrumentales ou turbulentes. Ils concernent essentiellement la technique de diversité de phase : travaux méthodologiques, travaux algorithmiques, et extensions à l'imagerie à haute dynamique en vue de la détection et la caractérisation d'exoplanètes. Ces travaux comprennent également des développements qui n'utilisent qu'une seule image au voisinage du plan focal, dans des cas particuliers présentant un intérêt pratique avéré. La seconde partie des travaux porte sur le développement de méthodes de traitement (recalage, restauration et reconstruction, détection) pour l'imagerie à haute résolution. Ces développements ont été menés pour des modalités d'imagerie très diverses : imagerie corrigée ou non par optique adaptative (OA), mono-télescope ou interférométrique, pour l'observation de l'espace ; imagerie coronographique d'exoplanètes par OA depuis le sol ou par interférométrie depuis l'espace ; et imagerie 2D ou 3D de la rétine humaine. Enfin, une dernière partie présente des perspectives de recherches.