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conception et realisation des performances d`un spectro

1. 0 6 Spectre r f rence Spectre a 1 d erreur sur le pas Spectre 2 d erreur sur le pas Spectre 3 d erreur sur le pas 94 Spectre 4 d erreur sur le pas Amplitude U A 0 2 EPA AE 0 0 121 45 121 50 121 55 121 60 121 65 Longueur d onde nm Figure 48 Variations du spectre en fonction des d fauts sur le pas d chantillonnage 8 3 2 3 Vitesse du miroir Les variations dans la vitesse de balayage du miroir et dans les intervalles d enregistrement du pas d chantillonnage se traduisent aussi par des erreurs sur la position de chaque chantillon On pourrait s attendre a ce que lorsqu on utilise une horloge d chantillonnage le signal de mesure d acquisition ne d pendant pas des variations de vitesse du miroir de balayage Dans la pratique et en raison des retards dans le systeme d acquisition une erreur d chantillonnage peut s ajouter la mesure Pour un retard 7 et une erreur de vitesse Av l erreur sur le pas d chantillonnage Ac est d crite par l expression Learner et al 1996 Ae Av xT 26 Tout comme les erreurs sur le pas d chantillonnage un d faut p riodique conduira a l apparition d artefacts aussi nomm s fant mes ou ghosts dans le spectre alors que les variations de nature al atoire abaisseront le rapport signal sur bruit 8 3 2 4 Bruit du d tecteur La figure de m rite pour un d tecteur est la d tectivit
2. sis 210 Figure 112 Mesures nocturnes du syst me avec asservissement pour les configurations en mono r flexion en haut et en multi r flexion en bas Ces acquisitions ont t r alis es avec le m me chantillonnage et pour la m me dur e que les mesures sans asservissement repr sent es sur la Figure 95 La campagne de mesures a t r alis e dans les conditions d crites par le paragraphe 18 1 1 voir aussi Figure EE 211 Figure 113 R ponse th orique de l organe de commande PI partir des mod les identifi s dans le paragraphe 18 2 4 et synth tis avec les param tres empiriques du Tableau 34 une perturbation de ee E 212 Figure 114 D viations angulaires mesur es en mono r flexion exprim es en microm tres sur la surface du d tecteur de position en fonction de la course d chantillonnage du miroir correspondant une diff rence de marche optique et vitesse nominales La courbe bleue repr sente l axe X mesur sur le d tecteur de position alors que la courbe verte repr sente laxe Y uuceeenennnnenennnnsnnnnnnennnnnnnnnen 214 Figure 115 D viations angulaires mesur es en multi r flexion exprim es en microm tres sur la surface du d tecteur de position en fonction de la course d chantillonnage du miroir correspondant une diff rence de marche optique et vitesse nominales La courbe bleue repr sente l axe X mesur sur le d tecteur de position alors que la courbe verte r
3. D calage d Abbe h Axe de mesure Faisceau incident distance mesur e x Figure 69 Illustration du principe de l erreur d Abbe la longueur du bras de levier ou d calage d Abbe h induit des erreurs sur la distance mesur e 15 1 4 Autres effets Les effets d crits par la suite viendront aussi se greffer sur les qualit s et performances du sous syst me d chantillonnage Les caract ristiques intrinseques a la source de r f rence concernant sa stabilit en fr quence et pointage mais aussi du point de vue de la coh rence devront tre consid r es Les variations de la longueur d onde de r f rence d pendent non seulement des param tres environnementaux qui viennent modifier l indice de r fraction mais aussi de la stabilit intrins que de la source utilis Par exemple une instabilit relative du laser dans la gamme de 7 ppm provoquerait une erreur de 7 um si la distance mesur e est de 7 m Ce genre d erreur est prendre en compte lorsque les mesures sont r alis es sous vide car l indice de r fraction est constant et quand la source laser ne pr sente pas une bonne stabilit comme par exemple les composants bas s sur des technologies de semi conducteur La stabilit des lasers longue cavit type He Ne est souvent de l ordre de 0 01 ppm et l erreur li e pourra tre n glig e De m me les d rives du pointage angulaire du faisceau pourront tre rejet es car elles se prod
4. Figure 135 Illustration du principe du filtrage de l ISL r sultant de l utilisation d un syst me double r seau la dispersion en sortie tant nulle Pouvoir de r solution d un r seau Le pouvoir dispersif du r seau peut prendre comme crit re visuel le crit re de Rayleigh Le plus petit cart en longueur d onde AA in d tectable peut tre exprim comme Ge 115 mit AAmin Efficacit de diffraction L efficacit de diffraction absolue E est d finie comme le pourcentage de rayonnement incident sur le r seau Il 2 diffract dans l ordre consid r 1 2 eee 116 abs En 100 L efficacit de diffraction d un r seau varie en fonction du rev tement optique choisi composant nombre de couches paisseur des couches et des caract ristiques du substrat massif type de substrat rugosit et du profil type de profil angle de blaze profondeur du pas Les param tres de fabrication du r seau dur e d exposition temps de d veloppement technique de gravure technique de d p t proc d de contr le d finissent la structuration microscopique du substrat ainsi que la morphologie et homog n it interne des couches Ils jouent donc un r le essentiel dans la qualit finale du composant obtenu Le profil peut tre modifi afin d optimiser l efficacit des r seaux dans un seul ordre On peut par exemple blazer le profil du r seau de fa on ce que chacun de ses pas
5. 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 121 De haut en bas mesure de l erreur entre la diff rence de marche mesur e et la droite d ajustement id ale mesure du signal d erreur sur laxe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en mono r flexion et avec boucle de r gulation 224 erreur nm 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX multi r flexion avec asservissement 10 5 erreur PSX microradians o 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX multi r flexion avec asservissement 10 erreur PSY microradians o 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 122 De haut en bas mesure de l erreur entre la diff rence de marche mesur e et la droite d ajustement id ale mesure du signal d erreur sur laxe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en multi r flexion et avec boucle de r gulation 225 Course mono r flexion avec asservissement 2000 1000 Ecart nm Temps s 105 105 nmA2 Hz 105 10 10 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 Fr quence Hz 10000 0 0 5 0 0 Bruit nm 0 5 4 6 Temps s 104 106 108 nmA2 Hz 10 10 10 12
6. IFTSUV abr viation de maging Fourier Transform Spectrometer working in the far UV est pr sent e dans cette recherche Malgr l absence de missions d opportunit dans l horizon proche les travaux de th se se sont d roul s suivant le plan de l action R amp T du CNES R S11 OT 0004 040 concernant la d finition d un spectro imageur transform e de Fourier dans l UV lointain et la r alisation en laboratoire d un d monstrateur de m trologie d di pierre angulaire de la faisabilit technique de l instrument Ainsi partant de la d termination du besoin scientifique et de la justification du choix technique le premier objectif de cette tude est de concevoir un mod le instrumental pr liminaire complet de l FTSUV La sp cification technique est fond e sur le calcul de dimensionnement et l valuation th orique des sp cifications en termes de pr cision spectrale qualit de l image et rapport signal sur bruit A travers l identification des points durs la r alisation d une m trologie d asservissement du miroir d chantillonnage apparait tout naturellement comme un besoin intrins que de la validation du concept En effet l acquisition de l interf rogramme doit se faire de mani re rigoureusement constante et le pas d chantillonnage doit tre connu avec une grande exactitude car il fixe les nombres d onde pour lesquels les spectres bruts sont calcul s Le maquettage d une solution m trologique constit
7. est la r solution angulaire en radians On a converti la radiation spectrale F mW m sr cm mise par le Soleil Figure 18 en intensit spectrale d tect e B ph s cm sr cm moyennant la relation 1 B ph s cm sr cm 0 001 x 0 01 x mx E mW m sr cm 9 o hv est l nergie des photons v Hz c A etc 3x10 m s la vitesse de la lumi re 5 3 2 Le budget d erreur Le bruit est l ensemble des signaux ind sirables qui d gradent l information mesurable Le bruit peut se retrouver dans toutes les tapes de la chaine d acquisition de l image de la source l lectronique voir Figure 29 Les diff rentes contributions du bruit au signal enregistr se font de forme additive o Somme quadratique ou encore bruit blanc ou multiplicative o somme quadratique de facteurs de modulation et le bruit total X peut tre exprim comme L gt Ei B2 gt 05 j 10 l J L ensemble de ces contributions est r sum dans le Tableau 3 80 On d finit alors le rapport signal sur bruit dans le spectre SNR comme MS 11 Ze SNR avec M tant le facteur de pertes de contraste du signal INTERFEROMETRE ET Bi SOURCE OPTIQUES seb dss EC Photons Alignement Bruit du d tecteur Bruit lectronique Source tendue Echantillonnage Courant d obscurit Alias Fluctuation Qualit des optiques Bruit thermique Quantization Efficacit des r
8. gti o LE gt 0 2 0 15 0 1 0 05 o 0 05 0 1 0 15 0 2 Consigne sur l axe X V Mesure sur l axe X um Hyst r ris de l axe X en MR AXin 20um 20um 0 050 0 030 0 010 Consignes sur l axe X V Figure 97 Cycle d hyst r sis mesur e sur l axe X pour une plage de positions de 100 um 50 um et 25 um en sortie du d tecteur figures de haut en bas respectivement et pour les configurations monor flexion gauche et multi r flexion MR droite 198 Mesure sur l axe Y um Hyst r sis de l axe Y en monor flexion AYin 100yum 100um 0 1500 0 0500 0 2500 0 6500 Consignes dur l axe Y V 0 5500 0 3500 0 4500 Hyst r sis de l axe Y en MR AYin 100um 100um 100 BER ave 80 HL L 60 RE D E d i e 1 gt ast e el Te amp 0 0 D a WI 3 20 PA ee AO 40 1334 j EL s y Bar 80 ta Tt oo 1 r 0 2000 0 1500 0 1000 0 0500 0 0000 0 0500 0 1000 0 1500 0 2000 Consigne sur l axe Y V Hyst r sis de l axe Y en monor flexion AYin 50um 50um Hyst r sis de l axe Y en MR AYin SOum 50um 50 4 50 5 it ta 40 40 4 wv i y e 14 30 30 wh cial FES gt gt pitt mi Z wi SH E H Le 2 ai II Ir D j 10 4 3 Ap 1 20 j 20 4 y 3 30 30 fe K 40 4 1 SE E sb DA 0 3 ER 1 o 01 02 03 04 41 005 o 0 05 oi Consignes dur l axe Y V Consigne sur l axe Y V
9. pour 10 s de course le travail dans un environnement dans lair a certainement eu un impact dans la r p tabilit et reproductibilit lors de la prise des diff rentes mesures de test Cet effet serait compl tement mitig dans un environnement sous vide 20 1 2 La structure opto m canique Les incertitudes li es au montage du banc de m trologie sont de triple nature Premi rement la structure s est av r e excessivement encombrante ce qui se traduit par une amplification des incertitudes li es aux effets environnementaux augmentation de la distance de bras mort Le rapport entre les distances et la souplesse de la structure rails ainsi que le manque de rigidit et ou de stabilit des l ments de tenue des optiques ont aussi constitu un bon milieu de propagation des diverses vibrations pr sentes dans le syst me environnementales m canisme de translation Les r glages et alignements manuels ont surement manqu de pr cision ce qui conduit des erreurs syst matiques de type Abbe ou cosinus Les variations du trajet optique issues des modifications des conditions environnementales entre les deux bras de l interf rom tre d pendent non seulement du temps d acquisition de la course d chantillonnage mais aussi de la distance de s paration des deux bras distance de bras mort cf paragraphe 15 1 1 La souplesse de la structure au niveau de la tenue du miroir mobile a s rement introduit des ordres de r
10. 0 0018 HE 0 0020 Ge EE ET TO KEE lr ea pl VE y EE ER 0 1000 2000 3000 4000 5000 Temps 5xs Variations du signal d erreur mesure en multi reflexion et avec asservissement 0 0010 ES Ra al et EE SEET T JAN DELT TIC a Terre TITS j m IN 0 0012 0 0014 s 204 E PSD X 5 0 0016 CT PSD Y E N D COMME 0 0020 0 0022 RP PAT TN OL LT er LL oe ey RO ya ro pe te a ge Peer a 0 1000 2000 3000 4000 5000 Temps 5xs Figure 111 Mesures nocturnes du syst me avec asservissement pour les configurations en mono r flexion en haut et en multi r flexion en bas Ces acquisitions ont t r alis es avec le m me chantillonnage et pour la m me dur e que les mesures sans asservissement repr sent es sur la Figure 95 La campagne de mesures a t r alis e dans les conditions d crites par le paragraphe 18 1 1 voir aussi Figure 80 211 Axe X synth se PI monor flexion Axe Y synth se PI monor flexion 0 8 0 8 _07 0 7 q s 306 2 0 6 u v 305 Bos 04 Soa d d 0 3 0 3 0 2 4 0 2 0 1 0 1 o ii ihres E ee re tin Y A nr si o Lipia pia ld Eli riet o 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 o 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 Temps s Temps s Axe X synth se Pl multir flexion Axe Y synth se PI multir flexion Amplitude UA oo Ampli
11. 1 83093 mm v 0 183093 mm s en noir mesure en mode classique en gris mesure en multi r flexion avec 2N 4 droite signaux apr s r duction des donn es cf relation 100 189 Offset x0 mono reflexion sans asservissement Offset x0 mono reflexion sans asservissement 0 02 0 02 T T r r VE 0 01 0 01 a om g 90 0 01 0 01 A A a 1 1 a 1 Kee 5 0x10 1 0x10 1 5x10 ae OPD nm 80 g 60 5 8 40 20 o Offset yO mono reflexion sans asservissement Offset yO mono reflexion sans asservissement 0 02 T r T T 0 02 T T T 0 01 0 01 Zo e 0 00 0 01 0 01 L L A A 1 L e 5 0x10 1 0x10 1 5x10 30 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm 100 a 2 2 5 60 E 8 8 40 20 0 hoe 0 014 0 012 0 010 0 008 0 006 0 004 0 005 0 000 0 005 0 010 yo M yo V Figure 88 Evolution des offsets Xo yo mesur s et calcul s pendant une course nominale en mono r flexion et sans asservissement Offset x0 multi reflexion sans asservissement Offset xO multi reflexion sans asservissement 0 02 0 02 T r T T 0 01 0 00 om a 1 A D 1 A 4 1 E 5 0x10 1 0x10 1 5x10 Rote 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm 8 8 Dos 0 01 0 00 0 01 x0 V Offset yO multi reflexion sans asservissement Offset yO multi reflexion sans asservissement 0 02 m T 0
12. H lium quitte le noyau sous forme de rayonnement y se dirigeant vers la surface 7 millions de K Une fois lib r s du noyau le transfert d nergie entre le centre vers son atmosph re est de double nature radiative et convective Le transfert radiatif est un processus long et complexe car les photons arrivant se retrouvent pi g s pendant des millions d ann es dans des processus d absorption et r mission jusqu arriver la zone convective sous forme de photons moins nerg tiques 7 million de K Dans cette derni re couche interne situ e 0 7 rayon solaires la temp rature et densit d croissent jusqu 5700 K et 10 g cm Les conditions thermodynamiques la base de cette r gion permettent la cr ation d ions lourds qui rendent le milieu plus opaque L nergie est alors transport e par des mouvements verticaux de convection de mati re vers la photosph re Contrairement la zone radiative qui a une rotation uniforme ou solide la rotation de la zone convective est diff rentielle en latitude elle tourne plus rapidement l quateur ou aux p les On appelle tachocline la fine zone d interface paisseur estim e 3000 km entre ces deux r gimes de rotation Elle est suppos e jouer un r le important dans les m canismes de production du champ magn tique solaire par l effet dynamo qui donne lieu a une inversion de la polarit du champ magn tique au cours d un cycle d activit solaire qu
13. au del de la photosphere du Soleil ainsi que les processus qui interviennent dans la dynamique et le chauffage de sa couronne demeurent de nos jours assez peu compris L inextricable complexit inh rente aux ph nom nes physiques qui gouvernent l atmosph re externe solaire s accompagne de l absence de donn es adapt es au besoin scientifique En effet l interpr tation et la mod lisation des m canismes qui raccordent les changes entre la chromosphere et la couronne d pendent de param tres d observation critiques Il est par exemple essentiel de pouvoir mesurer de larges bandes de temp ratures et densit s verticales s adaptant aux multiples chelles spatiales et temporelles caract ristiques des diff rents v nements qui se d roulent dans le Soleil La compr hension de la dynamique des plasmas repose aussi sur l analyse Doppler de la sc ne observ e Ceci implique notamment la capacit de combiner des techniques de spectroscopie et d imagerie simultan ment dans le temps Pour la couronne le passage UV spatial est incontournable et rel ve d un v ritable d fi technique Malgr les excellents progr s technologiques l tude UV du Soleil est une science relativement r cente et aucune mission spatiale solaire n a pu fournir jusqu pr sent une spectro imagerie combin e et simultan e dans le domaine spectral qui nous int resse C est pour r pondre cette attente que l tude d un nouveau dispositif appel
14. l ment spectral doit tre projet tous les deux l ments de pixel th or me de Nyquist Pour un d tecteur 2048x2048 tel que pr conis dans le paragraphe et R 24 000 notre bande passante se verrait r duite ISL lt 5 1 nm Cette valeur serait suffisante mais reste immuable dans le cas d un SHS ce qui contraint la possibilit d tudier d autres raies du spectre D autres bandes passantes peuvent tre ajout es aux sp cifications d un spectrom tre classique en utilisant les strat gies suivantes e en rajoutant des d tecteurs de fa on enregistrer les l ments dispers s a des ordres sup rieurs du r seau e enintercalant des fentes a diff rentes dimensions e en faisant varier langle du faisceau incident e en utilisant des r seaux suppl mentaires Ces astuces sont r alisables au prix d augmenter la complexit du design et dans certains cas de d grader les r solutions spectrale et spatiale voir exemple de SUMER sur la Figure 52 120 Concernant les comparaisons de ces trois syst mes diff rents on peut donc conclure sur les id es suivantes Le Soleil est une cible complexe le diagnostic de son atmosph re externe n cessite d instruments de type spectro imageur versatiles et permettant de travailler a haute efficacit optique dans l UV lointain pour pouvoir atteindre la dynamique des diff rents ph nom nes observables Dans le but de remplir ce besoin exprim plus en d tail dan
15. par deux r seaux de diffraction RT et R2 et quatre miroirs plans de repli M M M et M RESEAUX DE DIFFRACTION Rev tement Al MgF2 Substrat Silice Qualit de surface M52 rms holographique Nombre de traits 3 600 tr mm Ordres de diffraction 1 sym triques Efficacit de surface 34 Dimensions R1 11 mm Epaisseur TBD R2 22 6 mm Epaisseur TBD MIROIRS DE REPLI Rev tement Al MgF2 Substrat Silice Qualit de surface N52 rms Dimensions diam tre M M 14 mm Epaisseur TBD AM Mi 17 8 mm Epaisseur TBD Efficacit de surface 85 197 198 mm 457 504 mm 405 150 mm 1040 mm Sa 394 395 mm Figure 33 Vue de profil et vue d en face du dimensionnement de l FTSUV suite l optimisation de l intervalle spectral libre 94 4000 Hall bet enn Figure 34 Empreintes du faisceau collimat en entr e de l FTSUV et pour les diff rentes valeurs du champ de vue au centre et aux quatre extr mit s L observation d une source tendue implique une divergence du diam tre du faisceau en entr e de l IFTSUV 8 1 2 Echantillonnage La valeur ISL 4 6 nm o ISL 3113 74 cm conduit une amplitude du pas d echantillonnage de 1606 nm Suite l optimisation du syst me r alis e en section 8 1 1 le miroir de balayage est r gl 34 827 de laxe x et 9 735 de laxe y Cette orientation du miroir introduit une correction de la fo
16. px cm 580 VStot o do est la r solution spectrale t 10 s est le temps d int gration et Sest le signal int gr sur la totalit de ISL 4 6 nm Il existe donc un compromis entre SNR la r solution SNRyn VT 24 106 spectrale et le temps de mesure Les valeurs du signal ont t calcul es pour le flux d mission de la Figure 18 au maximum et au centre de la raie Ly a en fonction des param tres des relations 7 8 et 9 cf section 5 8 1 et Tableau 12 Les r sultats figurent dans le Tableau 10 Le SNR calcul pour les diff rentes structures et R 24000 figure dans le Tableau 11 les valeurs de SNR au centre de la raie de SNR steil came 22 et SNR ache 40 pour R 24000 Tableau 10 Valeurs calcul es du signal en photons arriv s au d tecteur int gr sur l ISL 3113 74 cm Stop au maximum So pic et au centre So centre de la raie Ly a pour les profils de la Figure 18 Stot Ph opte So pic ph s1 px nm E nm Soleil Calme 12995 227491 156935 Tache 45347 1061930 532432 Tableau 11 Valeurs du SNR de photon calcul es au pic et au centre de la raie Ly a des diff rents profils de la Figure 18 Valeurs au pic Valeurs au centre Soleil Calme 32 22 Tache 80 40 Tableau 12 Efficacit des optiques de l instrument pour l SL 4 6 nm centr e sur Ag 121 567 nm Efficacite des optiques Telescope OAP 1 primaire 0 85 OAP 2 collimatrice 0 85 IFTS
17. t ou seront embarqu s dans des missions telles que SoHO SUMER SDO EVE Solar Orbiter SPICE et constituent des candidats potentiels pour les missions futures LEMUR pour la mission Solar C Ils sont pr f r s aux prismes et grisms non seulement cause de leur plus grand pouvoir de dispersion mais aussi du fait que les mat riaux en transmission disponibles pour travailler cette longueur d onde sont tr s opaques et difficilement polissables De m me l ensemble des solutions haute s lection spectrale mais bas es sur des optiques en transmission filtres acousto optiques filtres bir fringents FTS s paratrice classique deviennent hautement inefficaces dans l UV et sont par cons quent aussit t rejet es Dans les cas des cam ras filtre interf rentiel le choix peut tre cart en raison de leur faible pouvoir de r solution spectrale R 4 lt 15 Inversement l instrumentation bas e sur des Fabry P rots n cessite d ajouter des pre filtres galement inefficaces mais pr sentent surtout des bandes passantes tr s troites 10 lorsque l on veut travailler haute r solution L int r t et les avantages du d veloppement d un spectro imageur a TF adapt aux besoins de la physique solaire qui est au centre de cette tude seront d crits dans le chapitre qui suit Ce nouvel instrument poss de notamment la particularit de pr senter un sch ma optique bas sur des optiques uniquement en r
18. tude Les deux d tecteurs en quadrature de phase et le d tecteur de position sont assur s par des composants spatialement qualifi s et fabriqu s par Hamamatsu ou OSI Un candidat potentiel aux d tecteurs en quadrature de phase serait le mod le S 9674 Hamamatsu Quant au capteur de position les mod les de photodiodes effet lat ral S5990 07 Hamamatsu ou le DLS 2S OS seraient bien adapt s notre besoin La source de r f rence serait de type diode laser une composante compacte et de basse consommation Le choix de ce type de composant est critique car il requiert la mise en place d un programme de qualification spatiale La stabilit en termes de puissance et de longueur d onde de ces metteurs base de mat riaux semi conducteurs est fortement sensible aux variations de temp rature La solution passe par un syst me de r gulation d alimentation signal de modulation du courant d alimentation et ou thermique chaufferettes Peltier assurant la stabilit sur les plages de temp rature op rationnelle La r f rence d asservissement en longueur d onde est fournie par une raie de r f rence d une cellule gaz i e Ac tyl ne C H Deux autres aspects contraignants des lasers milieu solide sont e L mission d un faisceau fortement divergent et anisotrope qui impose la mise en forme d un syst me de collimation e La faible longueur de cavit de ce composant qui impose l utilisation
19. 145 Alors que la marge de phase est la somme de 180 et de la phase du syst me o le gain est unitaire Mg 180 arg T jwy 56 avec wgtel que IT jwg 1 La marge de gain exprime de combien le gain global doit tre augment pour que le syst me devienne stable Les marges positives indiquent que le systeme est stable alors que les n gatives impliquent le contraire Ce critere est n cessaire mais pas suffisant il doit tre utilis en combinaison avec la marge de phase qui garantit la stabilit du systeme malgr l existence de possibles retards parasites Il existe autant de structures de r gulation que de syst mes r guler Le bon choix engage non seulement les capacit s de r pondre aux besoins du cahier des charges du proc d mais rel ve aussi d un compromis entre l efficacit et la complexit du syst me ainsi que des moyens pour sa mise en forme Le but de la boucle de r gulation dans le cas qui nous int resse est de maintenir la stabilit angulaire pendant la course du miroir On peut de fa on simplifi e d crire le cycle de r gulation de notre besoin en trois tapes it ratives Mesure de l erreur e t entre le signal de r f rence r t et les positions s t et s t du spot mesur es sur la surface du d tecteur de position ex t ry t S t 57 e t 1 t sy t e Calcul de l action appliquer au processus c est dire des consignes u ft appliquer sur chacun de
20. LEPD Lateral Effect Photodiode LPSP Laboratoire de Physique Stellaire et Plan taire LURE Laboratoire d Utilisation du Rayonnement Electromagn tique MCP Micro Channel Plate MDI Michelson Doppler Imager Solar Oscillations Investigations MR Multi R flexion NEN Noise Equivalent Spectral Radiance QE Quantum Efficiency Efficacit quantique OAP Off Axis Parabola Parabole hors axe OPD Optical Path Difference Diff rence de chemin optique OSO Orbiting Solar Observatory PBS Polarizing Beam Splitter PD Photo Diode PHI Polarimetric and Helioseismic Imager PSD Position Sensitive Detector PSF Point Spread Function PV Peak to Valley RD Reference Document RMS Root Mean Square RT Real Time SNR Signal to Noise Ratio SECCHI Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation SOHO Solar and Heliospheric Observatory SOLEIL Source Optimale de Lumi re d Energie Interm diaire de LURE SOT Solar Optical Telescope STEREO Solar TErrestial Relations Observatory SUMER Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation TBC To Be Confirmed TBD To Be Determined TBN To Be Nominated TBW To Be Written TRACE Transition Region and Chromosphere Explorer TF Transform e de Fourier VAULT Very high Angular resolution ULtraviolet Telescope VIRGO Variability of Solar Irradiance and Gravity VUV Vacuum Ultra Violet ZPD Zero Path Difference 25 RESUME L origine et l volution des diff rentes structures qui peuplent l
21. TT l e f x Acos 210 9x F o A o 09 A o oo na quo Fonction x x la cosinus Mos Se j y i 00 1 Foo i An Peigne de f ax comb x a 2 xX NnXo F a comb a 0 jal 2 o no u u IL NI 251 Le th or me de Parseval Le th or me de Parseval concerne la conservation du produit scalaire to N E 103 _r ogcax rias 103 Il montre comment l nergie totale d un ph nom ne physique est repartie sur ses diff rentes composantes spectrales Soit F a le spectre fr quentiel de la grandeur physique x l amplitude complexe des contributions de fr quences comprises entre x et x dx F 0 repr sente la densit spectrale d nergie et l Energie totale de la grandeur physique est alors V 104 f apos f Fade Get L nergie totale du signal est don conserv e Si on consid re une petite bande passante Ao a centr e sur ou et avec Ao gt 0 l nergie AE correspondante cet intervalle est donc AE F oo Ao 105 LA TRANSFORMEE DE FOURIER DISCRETE Lorsque la fonction f est mesur e de fa on discr te tous les x elle est multipli e par un peigne de Dirac la transform e de Fourier est alors convolu e par ce m me op rateur et p riodis avec une p riode SE Le spectre chantillonn est d crit par l expression suivante gt 106 F k a gt f m x e mein n 0 107 N 1 f ndx A Feieren k 0 lr o les var
22. avoir un talon de calibration permettant de tourner les miroirs aux valeurs souhait es Ces angles ont t pu tre v rifi s au bras FARO voir Figure 75 cependant cette manipulation s est av r e compliqu e et de nombreux facteurs d incertitudes tels que le choix du syst me de r f rence de la mesure ont men a l abandon de cette proc dure d alignement La deuxi me solution qui est donc celle qui a t retenue est de retrouver le gain partir de la configuration classique en monor flexion orthogonale de l interf rom tre de Michelson L angle a entre le miroir mobile et laxe optique est alors r gl la valeur souhait et une pr cision de 2 5 donn e par la platine tournante Ensuite on introduit le deuxi me miroir M que l on r gle au coin d angle 6 Le gain souhait est obtenu en fonction du nombre de points de r flexion observ s sur le syst me deux miroirs Le r glage fin de la monture du miroir M permet d ajuster une pr cision de 2 5 l alignement en auto collimation Ce r glage est v rifi par des mesures de position et d intensit du faisceau de retour sur le d tecteur de position De nombreux probl mes se sont cependant pr sent s lors du r glage en configuration de multi r flexion La g om trie et l encombrement du syst me imposent d attaquer la configuration deux miroirs sur les surfaces proches au p rim tre Or la r flectivit des miroirs n est pas connu
23. caract ristiques sont en accord total avec le besoin m trologique exprim voir Tableau 22 11 centro sym triques nor p zo lectriques 32 classes cristallines 1 hon pi zo lec tique lregroupant tous les cristaux Mc dx 21 pon cento sym triques 10 non pyro lectriques non lerm lectriques ferro lectriques Le 20 plezodlectriques 10 pyro lectriques moment lectrique spontan Figure 61 Organisation des diff rentes structures cristallines 140 o 71 O O o gt 0 O o 9 0 12 Figure 62 La figure de gauche illustre une cellule l mentaire PZT de type P rovskite au dessus de la temp rature de Curie premi re image le mat riau pr sente une structure sym trie cubique simple et la cellule unitaire contient un cation central qui n a pas de moment dipolaire en dessous de la temp rature de Curie la structure r ticulaire de la cellule change en une sym trie t tragonale qui se caract rise par l apparition d un dip le La figure de droite illustre la structure des domaines de Weiss en absence d un champ lectrique externe la r sultante de polarisation des domaines est nulle lorsqu on applique un champ lectrique il y a un d placement des parois de Bloch et une croissance des domaines dans la direction de polarisation voisine de celle du champ ext rieur Tableau 17 Caract ristiques techniques du s
24. e anomalie de r sonance fut mesur e par Mashez et Popov Ces anomalies surviennent lorsque l on d pose une couche di lectrique sur la surface du r seau ou lorsque la couche m tallique superficielle s est oxyd e Ainsi pour une tude efficace d apparition d anomalies on doit prendre en compte non seulement les rapports de forme du profil du r seau mais aussi les caract ristiques du rev tement utilis Daniel Maystre a d velopp la premi re th orie ph nom nologique quantitative des anomalies de Wood des r seaux de diffraction bas e sur les propri t s des plasmons de surface ll a permis au d but des ann es 70 d explorer les propri t s des premiers r seaux holographiques et d optimiser les propri t s des premiers r seaux embarqu s sur satellite dans le cadre de la naissante Optique spatiale Lumi re parasite et apparition de fant mes Un autre ph nom ne propre aux r seaux de diffraction est l apparition de lumi re parasite et ou de d ordres de diffraction parasites fant me ou ghost en anglais Les erreurs de surface sont l origine des ph nom nes de lumi re parasite L apparition de ghost est li e aux erreurs de p riodicit de la gravure des r seaux L intensit de ce ph nom ne l peut tre d crite en fonction de l erreur sur la position des traits e comme Ic 2 118 Ag mter FABRICATION DES RESEAUX DE DIFFRACTION Les r seaux de diffraction sont typiquement
25. e est connue Le probleme de r solution du systeme d quations diff rentielles est alors r duit a la r solution d quations affines dont les solutions sont des fonctions rationnelles de p les p les et les z ros de T p d finiront le comportement du syst me En dehors des m thodes de calculs th oriques on peut identifier un syst me en boucle ouverte en l excitant avec un signal dont les niveaux de consigne de tension et le contenu fr quentiel correspondent ses conditions de fonctionnement r el Pr vost 2011 Cette approche permet d laborer le mod le dynamique de l ensemble actionneur proc d capteur commander partir de l analyse de sa r action naturelle face une perturbation On peut 144 alors identifier le syst me en boucle ouverte soit partir de sa r ponse temporelle indicielle ou impulsionnelle soit partir des courbes de gain et de phase de la fonction de transfert Diff rents types de signaux peuvent tre utilis s pour stimuler le syst me sinuso des wobul es signaux carr s bruit blanc Les donn es du stimulus et de la r ponse sont alors utilis s pour d finir une fonction de transfert du syst me en fonction de la m thode choisie L inversion des r sultats m ne une estimation param trique de la synth se du r gulateur Une fois que la fonction de transfert est calcul e le contr leur peut tre con u L analyse temporelle ou transitoire se base sur l tude d
26. e et flexible Ceci peut repr senter un grand avantage vis vis l observation de ph nom nes mouvement s R solution spectrale et diff rence de marche optique sont corr l es et plusieurs modes d observations pourraient tre ainsi envisag s des chantillonnages longs et tr s haute r solution pour surveiller le Soleil calme et des acquisitions rapides moins bonne r solution pour suivre les v nements dynamiques On peut tout de m me avoir une image panchromatique de la sc ne en s arr tant un point d acquisition ce qui est utile pour d tecter des ventuelles variations de la source et pour re pointer la ligne de vis e En allant plus loin on pourrait aussi envisager de couvrir des bandes passantes spectrales plus ou moins larges rien qu en faisant varier la taille du pas d chantillonnage Ces avantages font la preuve d une certaine sup riorit d un FTSUV par rapport aux autres techniques et pour le besoin scientifique exprim N anmoins les autres dispositifs pouvant tre consid r s r seau dispersion et spectro imageur transform e de Fourier statique ISHS ainsi que le choix adopt seront plus largement discut s dans le chapitre Il Je n carterai pas la possibilit que les autres options auraient pu conduire des performances quivalentes ou peut tre sup rieures et il faut pr ciser que ce choix a aussi t tr s influenc par deux facteurs D une part les r s
27. e par des observations puisque les m thodes d observation utilis es ne sont pas de nos jours suffisamment exactes pour mesurer le champ magn tique Les instruments manquent notamment de r solution spatiale afin de d finir la structure fine filamentaire des lignes de champ ainsi que de la capacit de d terminer la structure 3D de celui ci cause de l absence d informations le long de la ligne de vis e Ces ph nom nes ruptifs violents qui se manifestent dans la couronne restent donc mal compris et difficilement pr visibles Plage Faculaire Figure 3 A gauche image du Soleil en Ha de la chromosph re source T lescope de l observatoire de Meudon les filaments apparaissent comme des r gions sombres tir es sur la surface solaire les r gions brillantes entourant les taches photosph riques encore visibles depuis la chromosph re sont des plages faculaires qui prolongent les facules de la photosph re Centre image Lyman alpha d une protub rance observ e au limbe par la sonde TRACE source TRACE Le r seau chromosph rique est aussi mis en vidence dans cette image A droite d tail de la chromosph re observ e en Ha les l ments sombres filiformes droite de l image sont des spicules Les structures brillantes sont des plages une petite tache solaire peut tre identifi e dans la partie sup rieure a gauche de l image source Royal Swedish Academy of Sciences 42 Onde de choc RER
28. es cependant les substrats utilis s tant plans et au nombre de quatre par voie cela serait possible au prix d un effort budg taire 11 3 2 Besoin d un syst me de m trologie L erreur sur le pas d chantillonnage est due lincertitude sur la position du miroir pendant l acquisition un syst me de mesure lin aire s impose Le degr de pr cision souhait est de 8 nm autour de chaque pas d chantillonnage La contrainte de minimisation du nombre de surfaces r fl chissantes pour garder le plus grand flux possible d favorise l utilisation de miroirs en coin de cube ou des yeux de chat Ces l ments auraient limin tout effet de tip tilt introduit par la platine de translation L obtention d une bonne stabilit dans la course par des moyens passifs n tant pas possible un systeme de contr le actif de la stabilisation angulaire pendant la course s av re aussi indispensable La plage de stabilit est de 2 5 urad et doit tre assur e pendant toute la course du miroir environ 1 8 mm Pour que les performances souhait es de lIFTSUV en termes de pr cision spectrale et de signal sur bruit soient atteintes il est donc indispensable d avoir un contr le actif de l alignement ainsi qu une mesure pr cise de la diff rence de marche optique Le concept et la mise en place de ce syst me sont pr sent s dans la deuxi me partie de cette th se 125 DEUXIEME PARTIE 126 DEFINITION DU SYSTEME DE METROLOG
29. es pendant une course nominale en mono r flexion et sans asservissement usines 191 Figure 91 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en multi r flexion et sans asservissement ns 191 17 Figure 92 Evolution de la phase r siduelle p0 mesur e et calcul e pendant une course nominale sans asservissement En haut mesures de la configuration en mono r flexion En bas mesures de la configuration en multi r flexion se 192 Figure 94 Captures d cran des mesures en sortie du d tecteur de position L image de gauche montre les deux signaux de pointage acquis lorsque le miroir d chantillonnage est en repos l image de droite montre les deux signaux de pointage lorsque le miroir d chantillonnage est en mouvement des interf rences parasites sise 195 Figure 95 Mesure de la position en haut et de la puissance en bas du faisceau laser sur la surface du d tecteur de position Les deux configurations sous tudes sont aussi repr sent es les graphiques gauche repr sentent les donn es acquises en mono r flexion tandis que les graphiques droite celles en multi r flexion La campagne de mesures a t r alis e dans les conditions d crites par le paragraphe 18 1 1 voir aussi Figure 80 195 Figure 96 Courbes de calibration de la r ponse lin aire des commandes sur l axe X des pi zo actionneurs PI S 330 L Les plages de consi
30. et l ajustement se basant sur un mod le du syst me commander G n ralement pour obtenir des r sultats optimis s et performants l identification du mod le dynamique du syst me contr ler est une tape essentielle pour le calcul et la conception d une architecture de r gulation De nombreux syst mes m caniques peuvent tre repr sent s sous forme d quations lin aires diff rentielles a coefficients constants d ordre n Cette repr sentation met en jeu les relations entre la variable de commande u t et la variable de sortie s t dier d Is t ds t 51 dt An dt 1 SE 1 dt aps t d u t d 1u t du t bm m m 1 Em Du ES bou t avec n lt m Si on consid re des conditions initiales nulles les propri t s de la transformation de Laplace permettent de simplifier norm ment l analyse de ces quations car elle transforme les int grations et d rivations en divisions et multiplications par p jw variable complexe p S p gea ADI 1S p aypS p aoS p 52 bmp p bm 1p U p bypU p byU p On d finit alors la fonction de transfert T pp du proc d comme le rapport entre les sorties et les entr es SE anp amp ap a _ P is U p 7 p bm 1p t bip bo Tnm La r ponse une entr e quelconque d un syst me lin aire caract ris par sa fonction de transfert peut tre d termin e lorsque la transform e de Laplace de cette entr
31. et multir flexion droite En bas erreur obtenu sur chacun des mod les sur les syst mes en mono erreur moyenne ARX 4 erreur moyenne FRF 12 et multi r flexion erreur moyenne ARX 1 erreur moyenne FRF 3 Mod le r ponse indicielle Axe Y monoreflexion H Ar d Stimulus monoreflexion R ponse monoreflexion Mod le ARX Mod le FRF o 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 Temps s Erreur du mod le de r ponse indicielle Axe Y monoreflexion r 4 0 012 Mod le ARX Mod le FRF Temps s Frequency Response Function analytique et par Mod le de r ponse indicielle Axe Y multieflexion 0 08 0 07 0 06 0 05 3 r Sg 3 004 NU Sete nn a E 0 03 Stimulus multir flexion kireflexi 0 02 Reponse multireflexion Mod le ARX 0 01 Mod le FRF o e r e o 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 Temps s Erreur du mod le de r ponse indicielle Axe Y 0 02 multireflexion D 0 015 0 01 5 0 005 oa o 5 0 008 0 01 0 012 0 005 Mod le ARX Mod le FRF 0 01 Temps s Figure 108 Mod lisation de l axe Y du pi zo actuateur En haut comparaison entre les mod les de r ponse indicielle obtenus par identification FRF identification ARX de la r ponse indicielle en monor flexion gauche et multir flexion droite En bas erreur obtenu sur chacun des mod
32. flexion ce qui lui conf re la capacit de r aliser des observations dans le domaine UV lointain d int r t Une comparaison plus exhaustive entre des spectro imageurs bas s sur un concept a r seau en r flexion classique et SHS Imaging Spatial Heterodyne Spectrometer Damiani et al 2007 statique est faite dans la section 10 du chapitre II du manuscrit 67 de la fente collimateur l ment dispersif objectif plan du d tecteur 2D Figure 23 Illustration du principe d un spectro imageur dispersion classique avec un d tecteur matriciel au plan focal Le spectre est dispers sur l axe x du d tecteur alors que la sc ne le long de la fente est imag e sur l axe y Pour acqu rir le reste de l image il est n cessaire de balayer le champ de vue dans la direction de la dispersion 68 PLAN FOCAL ENTREE SORTIE DU TELESCOPE DU SPECTROMETRE DU SPECTROMETRE MULTI OBJETS d tecteur m me me ICRO mg Sg Er FIBRES MICRO LENTILLES HERE _ DECOUPEURS DE CHAMP H Figure 24 Illustration des diff rentes techniques permettant de r aliser de la spectroscopie multi objets ou champ int gral Le champ spatial peut tre chantillonn de diff rentes fa ons ce qui permet d acquerir simultan ment les informations spectrale et spatiale sans qu elles soient m lang es en entr e du spectrom tre En spectroscopie multi objet un masque plusieurs fent
33. le Kp Ti Kp P Ky 2 Pl 2K 5 5 4T PID 3Ky5 2 Ty T 8 Pour cela le module S M960 est d abord boucl sur un r gulateur proportionnel pur La limite de stabilit est obtenue en augmentant progressivement la valeur du gain jusqu obtenir une mesure pour laquelle le processus commence osciller de mani re permanente voir Figure 111 209 SRS SIM960 Analog PID Controller Out CE D a H a a D a D a H 7 H D H H D Measure oun Setpoint BB internal en a und yc d SC Figure 110 A gauche module SIM 960 droite capture d cran des r ponses oscillatoires suite a Pincr ment du gain lin aire du syst me partir desquelles on obtient les param tres du r gulateur PID par la m thode Ziegler Nichols On note alors cette valeur de gain critique K ainsi que la valeur de la p riode des oscillations T en secondes Un r gulateur PI fut impl ment dans le syst me Ce choix combine les avantages du r gulateur P r action rapide l cart de r glage et du r gulateur compensation exacte de la grandeur pilote L action d riv e ne fut pas incorpor e car la r ponse en fr quence du syst me contient de nombreuses r sonances haut contenu fr quentiel voir Figure 103 et Figure 105 Le gain Kp aurait par cons quent rendu le syst me instable car il procure un gain lev aux hautes fr quences qui favorise amplification du bruit cr e par des signaux para
34. le r gulateur calcule la commande qui reconduit le syst me l tat d quilibre d fini par la consigne L action de la commande m ne a une nouvelle valeur de sortie et la boucle de r gulation se r p te ainsi jusqu la fin du proc d Le r gulateur est le cerveau du processus de contr le II doit tre bien dimensionn synth tis pour permettre au syst me de suivre correctement la consigne de r f rence quelle que soit la perturbation qui puisse survenir Il est synth tis en fonction des exigences dynamiques du proc d en termes de pr cision de stabilit de rapidit d allure de la r ponse de robustesse voir Figure 65 ainsi que de la conduite dynamique intrins que 143 7 anode 2 catode X2 l organe de commande r ponse du syst me concernant sa bande passante ses fr quences de r sonance l amortissement Ces caract ristiques sont exprim es dans le domaine temporel ou dans le domaine fr quentiel La grandeur commander l cart et la grandeur de commande sont les trois signaux pr sentant un int r t pour l analyse La r gulation est tablie lorsque la grandeur r gl e volue l int rieur de la limite de tol rance erreur statique De mani re grossi re il existe deux formes de synth se les r gulateurs la synth se directe fond e sur des donn es obtenues directement et qui ne peut tre r alis e que pour certains types de r gulateurs d ordre pas lev
35. les sur les syst mes en mono erreur moyenne ARX 26 erreur moyenne FRF 22 et multi r flexion erreur moyenne ARX 11 erreur moyenne FRF 20 Frequency Response Function analytique et par 208 Ecart entre le mod le ARX et le mod le FRF Axe X 60 monor flexion Bart Temps s Ecart entre le mod le ARX et le mod le FRF Axe Y 150 monoreflexion 100 so a e e o 0 002 0 004 0 006 0 008 0 010 Eart Pi 50 100 Temps s 0 012 Ecart entre le mod le ARX et le mod le FRF Axe X multir flexion Ecart Ecart entre le mod le ARX et le mod le FRF Axe Y Bart P Temps s multireflexion Temps s 0 012 Figure 109 Ecart entre les mod les FRF et ARX identifi s l cart moyen pour Taxe X est de 2 monor flexion et de 16 multir flexion l cart moyen pour Taxe Y est de 62 monor flexion et de 8 multir flexion 18 2 5 R glage des param tres de r gulation PID La m thode retenue pour la synth se du r gulateur est la m thode dite du point critique du processus bas e sur les exp riences de Ziegler Nichols 1942 Il s agit d une approche heuristique qui permet d ajuster rapidement les param tres des r gulateurs en fonction des valeurs exprim es sur le Tableau 35 Tableau 33 R glage des param tres PID selon la m thode d velopp e par Ziegler J G et Nichols N B 1942 Contr
36. mono et multi r flexion La Figure 120 montre l erreur le bruit et les densit s spectrales du bruit mesur es en fonction du temps sur l chantillonnage et sur les sorties du d tecteur de position Malgr l erreur de nature syst matique li e au m canisme de translation de la platine le bruit de mesure sur la ddm est inf rieur 0 5 nm rms dans les deux cas tudi s On distingue trois r gimes Dans la r gion de basses fr quences lt 3 Hz c est les variations m caniques et thermiques qui dominent en provoquant des rotations sur les miroirs A ces fr quences l on distingue tr s bien l erreur syst matique qui apparait non seulement dans les densit s spectrales de l erreur mais aussi sur chacun des axes X et Y du spectre la sortie du d tecteur de position Une deuxi me r gion semble suivre une loi 1 f pour la bande entre 2 et 7 000 Hz Les vibrations des miroirs ou de lair entre les miroirs sont mesur es La signature de la raie du laser apparait tous les 2f soit environ 570 Hz suite la pr sence de non lin arit s r siduelles de deuxi me ordre p riodiques dans le syst me Wu 2002 Comme on a vu les non lin arit s sont issus des effets combin s d un mauvais montage d salignement des composants polariseurs des imperfections dans les polarisations composants optiques et de la source pr sence d une certaine ellipticit mais aussi de l existence de r flexions parasites cause des effets co
37. ne 55 Cette raie d mission pr sente un profil en forme de sommet renvers voir Figure 13 Figure 16 et Figure 19 Sa formation est principalement domin e par deux r gimes un noyau central Doppler avec redistribution compl te en fr quences et un r gime quasi coh rent dans les ailes de part et d autre du centre de la raie avec une redistribution partielle Paletou 2001 La largeur de la raie est d environ 0 6 nm FWHM o se forme le c ur 40 000 K dans la haute chromosph re ses ailes form es dans la basse chromosph re 6 000 K peuvent s taler jusqu au dela des 7 5 nm Le c ur de la raie est optiquement pais une temp rature de 70 000 K de section efficace de la raie est d environ 4 2 x 10 cm ce qui veut dire qu une couche dont la densit est d environ 10 cm et avec une paisseur de 7 000 km a une opacit d environ 4x10 Ceci permet de relier les ph nom nes observ s entre la chromosph re et la basse r gion de transition jusqu T 20 000 K Des mesures du profil haute r solution spectrale peuvent notamment renseigner sur la structure fine du milieu en tra ant ses caract ristiques le long de la ligne de vis e Heinzel et al 1983 Vial 1990 Tian et al 2009 Curdt Lemaire Gunar Labrosse et al 2010 L intensit de la raie la sym trie entre les pics la profondeur du renversement et la largeur des ailes sont des sources d information et diagnostic de nombre
38. o o Theoretical Absolute Efficiency o a 0 05 0 00 Wavelength nm Figure 30 Courbe d efficacit absolue th orique en fonction de la longueur d onde et de la polarisation de la lumi re incidente pour des r seaux 3600 lignes par millim tre un rev tement en Al MgF gt source HORIBA Jobin Yvon 86 3600 gr mm Order 1R A 121 6 nm FD 11 05 2012 ECTN Coating Al MgF2 0 30 0 25 o iv o 0 10 Theoretical Absolute Efficiency o bi 0 05 Incident angle 3 Figure 31 Courbe d efficacit absolue th orique en fonction de l angle d incidence et de la polarisation de la lumi re pour des r seaux 3600 lignes par millim tre un rev tement en Al MgF gt et A 121 567 nm source HORIBA Jobin Yvon 7 4 2 Lumi re parasite Tout rayonnement autre que celui appartenant la longueur d onde d int r t qui atteint le d tecteur est appel lumi re parasite straylight en anglais La tenue des sp cifications impliquera la limitation drastique du nombre de photons parasites pouvant r duire le contraste du signal et cr er des r sultats radiom triquement incorrects apparition de fant mes Une premi re source de lumi re parasite provient du rayonnement non d sir d objets et ou du fond cosmique situ s l ext rieur du champ de vue de l instrument Deux types de rejections pr liminaires peuvent tre utilis es une rejection str
39. ques au syst me interf rom trique et se produisent g n ralement a cause des imperfections de polarisation de ses composants D une part la polarisation lin aire du faisceau laser pr sente toujours une l g re ellipticit Au niveau du cube s parateur de polarisation PBS les taux de transmission et de r flexion pour chacun des tats s et p ne sont pas unitaires Ceci se traduit par des pertes et ou l impossibilit de s parer correctement les polarisations verticale et horizontale sur chacun des bras Les lames de retard pr sentent aussi des erreurs de retardement L imperfection des rev tements et l utilisation de composants di lectriques sensibles a l angle d incidence de la lumi re polarisee accentuent encore plus le probleme La magnitude de l ensemble de ces erreurs augmente si les composants optiques ne sont pas align s correctement L orthogonalit de phase entre les deux signaux en quadrature est donc assujettie aux d fauts de polarisation des composants optiques et a la pr cision avec laquelle il est possible d orienter angulairement les l ments polarisants lames de retard et polarisateurs Cip et al 2000 Gregorcic et al 2009 Les incertitudes reli es a ce type d erreur peuvent tre estim es de fa on th orique par calcul de Jones Keem et al 2004 151 Les erreurs dans la cha ne de d tection provoquent aussi des effets de non lin arit Le NEP Noise Equivalent Power ou Puissance Equ
40. rement bien au besoin scientifique exprim Son design pr sente une solution optique originale toute r flective bas e sur le principe de l interferometre de Michelson traditionnel L avantage de ce choix par rapport ses concurrents directs les spectrom tres dispersion r side dans le fait de pouvoir r aliser une cartographie spectrale rapide de la sc ne observ e Ces recherches ont permis d aboutir la sp cification et au dimensionnement d un premier concept instrumental performant ainsi qu l identification des points durs li s sa r alisation technique L instrument FTSUV permettrait de faire des observations sur le disque solaire avec une r solution angulaire de 7 sur des champs de vue de 250 x250 avec un pouvoir de r solution spectrale de 24 000 centr sur Lyman alpha et une cadence de 70 s Le rapport signal sur bruit retrouv est d environ 20 mais pourrait toujours tre augment afin d avoir un instrument plus rapide et pr cis en fonction du dimensionnement des optiques collectrices D un point de vue th orique les difficult s rencontr es lors de l valuation des performances de linstrument sont principalement dues aux qualit s et efficacit s des optiques ainsi qu la pr cision du m canisme d chantillonnage du miroir Le premier point concerne notamment la haute qualit de surface qui s impose sur les miroirs lt 4 52 rms ainsi Ou aux efficacit s optiques des r
41. rence de 10 sur l index de r fraction conduit une erreur de 0 2 um Les gradients de temp rature peuvent introduire des dilatations et compressions de la structure m canique ainsi que des diff rents composants en fonction de leurs coefficients de dilatation thermique et de leurs inerties Le choix de mat riaux adapt s devient donc d int r t primordial Des temps d acquisitions courts permettent aussi de s affranchir de ce probleme Un environnement contr l i e vide ou atmosph re gazeuse Nitrog ne H lium r duit se probl me au n ant Finalement les mouvements turbulents des masses d air environnantes ainsi que les vibrations acoustiques sont aussi des facteurs d erreur non n gligeables car ils modifient le chemin du faisceau et sont en plus difficilement estimables Tout comme pour les variations des param tres thermodynamiques l isolement de l exp rience et la r duction du deathpath contribuent diminuer l impact n gatif et non pr visible de ces ph nom nes 150 Tableau 20 Effets des variations de temp rature pression humidit et CO dans les variations d index de r fraction de l air pour des conditions standards de laboratoire soit T 20 P 0 01 mbar et une humidit de 50 Param tre Variation Effet dans l index de r fraction Temp rature 1 C 9 26x107 Pression 1 mbar 2 68x107 Humidit 1 0 96x10 CO 1 ppm 1 47x10 15 1 2 Effets des non
42. rom tre on peut extraire la phase Ag et donc le d placement qui lui est proportionnel selon la relation _ 4nAx 32 Ag laser Chaque passage au zero des franges d interf rence Ay 2x correspond alors un d placement d une demi longueur d onde 2 Alaser 33 A nr 131 Ceci permet de calculer la position relative par un compteur incr mental 12 3 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE Les erreurs de la diff rence de marche optique dues aux d salignements angulaires induits par le tangage lacets rotations parasites nomm es aussi tip tilt en anglais peuvent tre de nature environnementale vibrations m caniques excitations acoustiques variations de temp rature turbulences ou intrinseques aux performances du syst me de d placement d fauts de motorisation du guidage angulaire et pr cision de la trajectoire lin aire de la platine grippages rugosit s Les mouvements angulaires du miroir d chantillonnage par rapport laxe optique sont d finis comme voir Figure 56 tangage ou d viation angulaire y dans le plan vertical contenant le faisceau incident lacet ou d viation angulaire y dans le plan horizontal contenant le faisceau incident Des d viations de type roulis dans le plan peuvent aussi se produire mais n ont pas d impact dans le probleme qui nous concerne Ce type de d fauts est connu sous le nom d erreurs de Abbe Ernst Abbe 1840 1905 cr ateur avec
43. seaux Vitesse du miroir Jitter Figure 29 Cha ne de bruit Tableau 3 Classification des diff rents postes de bruit Classification des diff rents postes de bruit Bruit Additif Multiplicatif Photon x Echantillonnage D tecteur Electronique Alias Num risation x xj x X x Source x Vitesse du miroir x D rive X 5 3 3 De l interf rogramme au spectre Chaque type de bruit est caract ris par la mani re dont il d pend de l intensit du signal acquis qui dans notre cas est l interf amp rogramme Il est donc important de d finir le passage de l interferogramme au spectre On d finit le rapport signal sur bruit dans l interferogramme SNR comme le rapport entre la valeur du signal interf rom trique la diff rence de marche z ro ZPD 1 0 et le bruit oe 81 1 0 12 x SNR Pour une acquisition sym trique contenant l intervalle de dam autour de la ZPD linterf rogramme s exprime de la fa on suivante 00 1 8 B 0 e 12100 gg SS o le spectre est r cup r en faisant la transform e de Fourier inverse 00 B o I 6 e 278 do 14 Echantillonner p riodiquement une fonction en N points est quivalent multiplier cette fonction par un peigne de Dirac La p riodisation du spectre implique une op ration de convolution par un peigne de Dirac La discr tisation de la transform e de Fourier et le th or me de Parseval
44. signal de r ponse Figure 70 Configuration d un syst me en boucle ferm e avec r t sonal de consigne e t erreur a l entr e du r gulateur C p fonction de transfert du r gulateur u t commande en sortie du r gulateur pit po t perturbations l entr e et la sortie du proc d T p fonction de transfert du proc d v t bruit en sortie du proc d s t signal de r ponse mesur e en sortie 15 2 6 Autres effets Tout comme pour la m trologie de l chantillonnage les d rives de puissance et de pointage de la source de r f rence peuvent aussi contribuer au budget d erreur du sous syst me d alignement Ces ph nom nes sont cependant secondaires au niveau du d tecteur de position et on supposera qu ils peuvent tre n glig s du fait de leur effet long terme Les imperfections des optiques et notamment l incapacit de s parer correctement les composantes de polarisation du laser nonc es dans le paragraphe peuvent faire apparaitre des ph nom nes d interf rence parasites au niveau du d tecteur de position Les cons quences de ce ph nom ne seront valu es et quantifi es lors de l exp rience 15 3 CONFIGURATION EN MULTI REFLEXION Le gain qui d finit les performances d une configuration en multi r flexion sera limit par des param tres qui d pendent de facteurs g om triques et du choix des miroirs diam tre r flectivit et qualit de surface optique s paration
45. the Astrophysical Journal supplement series Vol 45 pp 635 725 1981 Vincent E V Harris W M Beasley M Corliss J B tr mieux Y Jaffel L B Roesler F L dentification and treatment of an efficiency anomaly in a symmetrically ruled grating illuminated at normal incident Journal of electron spectroscopy and related phenomena Vol 184 Issues 3 6 pp 346 349 2011 Vourlidas A Sanchez Andrade Nu o B Landi E Patsourakos S Teriaca L Sch hle U Korendyke C M The Structure and Dynamics of the Upper Chromosphere and Lower Transition Region as Revealed by the Subarcsecond VAULT Solar Physics Volume 261 Issue 1 pp 53 75 2010 Wedeymeyer B hm S Lagg A and Nordlund A Coupling from the Photosphere to the Chromosphere and the Corona Space Sci Rev Vol 144 pp 317 350 2009 Wood R W Anomalous diffraction gratings Physical Review Vol 48 Issue 12 pp 928 936 1935 266 Wu C M and Su C S Nonlinearity in measurement of length by optical interferometry Meas Sci Technol Vol 7 pp 62 68 1996 Wu C M Periodic nonlinearity resulting from ghost reflections in heterodyne interferometry Optics communications Vol 215 pp 77 23 2002 Ziegler J G Nichols N B Optimum settings for automatic controllers Trans ASME 64 pp 759 768 1942 Zumberge M A Berger J Dzieciuch M A Parker R L Resolving quadrature fringes in real time Opti
46. tr s haute r solution et de fa on continue Millard 2005 TRACE poss de un t lescope de type Cassegrain de 30 cm d ouverture Le champ de vue de l instrument est un carr de 8 5 avec une r solution angulaire d environ une seconde d arc Le t lescope est divis en quatre quadrants correspondant chacun une bande spectrale de PUV diff rente Deux roues filtres permettent la combinaison et s lection des diff rents filtres utilis s trois dans UV lointain et un filtre d di l mission Lyman alpha Malheureusement la bande passante du filtre permettant de s lectionner l mission Lyman alpha est trop large ce qui fait que plus de 50 du rayonnement observ par TRACE cette longueur d onde est contamin par le continuum au del de 750 nm Seules les observations de protub rances hors limbe ont permis de faire des diagnostiques Lyman alpha purs alors que pour le reste d images observ es sur le disque l interpr tation des donn es est d licate Proba 2 Project for on board Autonomy Il est le deuxi me satellite de l Agence spatiale europ enne a faible co t destin la mise au point de nouvelles technologies spatiales Il a t lanc le 2 novembre 2009 Proba 2 emporte par ailleurs une charge scientifique qui comprend deux instruments destin s aux tudes du Soleil e SWAP Sun Watcher using APS and Image Processing un t lescope spatial fonctionnant dans l ultraviolet lointain et utilisant un nouveau typ
47. trique d fini par lop rande PLEN 91 T Merit Function Editor 6 148838E 003 ola Edit Tools View Help Oper Op 2 Target Weight Value 1 CONF 2 BLNK Cette MF realise 1 alignement du bloc IFISUV 3 BLNK 4 BLNK positions mY et m Y 5 PMVA 2 0 000 0 000 197 198 6 PMVA 2 0 000 0 000 394 395 7 DIVI 6 0 500 1 000 0 500 8 BLNK position m X 9 PMVA 1 0 000 0 000 197 198 10 DIVI 3 1 000 1 000 1 000 11 BLNK centrer r2Y 12 PMVA 2 0 000 0 000 197 198 13 DIVI 12 1 000 1 000 1 000 14 BLNK parcours optique 0 000 17 PLEN 41 0 000 18 BLNK reglage du parcours optique 19 CONS 1500 000 0 000 1500 000 20 OSUM 17 0 000 0 000 1500 000 21 DIVI 20 1 000 1 000 1 000 22 BLNK Opd 23 PLEN 23 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 24 RAED 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 13 143 25 RAEN 1 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 974 26 BLNK opd total 27 SUMM 20 0 000 0 000 1500 000 29 BLNK Default merit function RMS angular radius centroid GQ 6 rings 8 arms 30 BLNK No default air thickness boundary constraints 31 BLNKINo default glass thickness boundary constraints 32 BLNK Operands for field 1 33 ANAC H 0 000 0 000 0 070 0 170 0 000 3 738E 003 2 190E 003 34 ANAC 1 0 000 0 000 0 158 0 380 0 000 7 871E 003 4 902E 003 Figure 32 Fonction de m
48. 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 Fr quence Hz 10000 0 104 106 108 VA2 Hz 10 10 10 12 10 4 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 Fr quence Hz 10000 0 Ecart nm nmA2 Hz Bruit nm nmA2 Hz VA2 Hz Course multi r flexion avec asservissement 105 105 105 10 10 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 Fr quence Hz 0 5 0 0 0 5 104 106 108 10 10 10 12 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 Fr quence Hz 10000 0 104 10 6 108 10 10 10 12 10 14 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 Fr quence Hz Figure 123 De haut en bas erreur mesur e sur la ddm spectre de l erreur mesur e sur la ddm ddm filtr e par un filtre a diff rence seconde d riv e densit spectrale du bruit densit spectrale en sortie du signal d erreur du d tecteur de position Ces mesures se correspondent aux tests r alis s sans asservissement 226 R petabilite mano reflexion et avec asservissement 400 200 T T T 200 4100 Se a a a oe as A in rere o 5 0x10 1 0x10 15x10 OPO nm Repetabilite multi reflexion et avec asservissement T T T 400 E 200 repetobilit a 0 Figure 124 R p tabilit de la course du miroir en mono r flexion De et I A 5 0x10 100108 OPO nm asservissement 8 E R petabilite mano reflexion et avec osservissem
49. 1 et une distorsion du front d onde inf rieure a 2 5 Les trois cubes s parateurs deux non polarisants BST et BS2 et un s parateur de polarisations PBS sont en BK7 avec un traitement de s paration entre les deux semi prismes optimis la longueur d onde de travail Les quatre faces sont trait es antireflet avec un di lectrique multicouche afin de minimiser les pertes par r flexion Le cube polariseur fut caract ris gr ce un spectrom tre Perkin Elmer permettant de mesurer les polarisations p s et p s 2 sa sortie voir Figure 72 La composante verticale de la polarisation est r fl chie 90 Rs 100 cependant le taux de r flectivit de polarisation horizontale est aussi non nul Rp 4 Les taux de polarisation horizontale et verticale transmise sont de l ordre de Tp 96 et Ts 0 Les deux d tecteurs en quadrature de phase sont deux photodiodes type 878 SL de chez Newport voir Tableau Ces capteurs basse puissance a base de Silicium ont t fournis talonn s pour une plage de puissance allant de quelques pW a 2 W et poss dent un tr s bas niveau de puissance quivalente au bruit PEB 0 2 pW Hz La photodiode lateral effect voir Tableau mod le OBP A 4L de chez Newport a t choisie comme d tecteur pour la mesure et contr le des vibrations et d flexions du miroir mobile Ce positionneur de faisceau est capable de mesurer des d placements de spot sur sa surface de d tection p
50. 104 112 Figure 19 Profils Ly a observ s a des positions cons cutives de 1 l int rieur d une protub rance SUMER SoHO Figure 20 Filament Ly a observ par le vol de fus e VAULT Le filament est inscrit dans un carr de surface 250 x250 la r solution angulaire est de l ordre de 0 38 arcsec 2 CHOIX INSTRUMENT AL 2 1 DEFIS SPECIFIQUES DE L INSTRUMENTATION UV Le Soleil luit pour tout le monde mais heureusement pour la vie sur la Terre Ozone atmosph rique absorbe la totalit du rayonnement en dessous de 200 nm Les ph nom nes issus de ce type de rayonnement restent donc invisibles depuis la surface terrestre et l emploi d instrumentation capable d tre embarqu e est indispensable Ceci n est arriv que vers le milieu des ann es 40 lorsque maturit technologique et am lioration des moyens de vol se sont donn s la main pour commencer les premiers voyages d observation UV au del de l atmosph re terrestre voir Figure 21 amp l Figure 21 De gauche droite 1 Photo du premier vol de fus e type V 2 en 1942 r quisitionn es plus tard aux allemands apr s la Seconde Guerre Mondiale et utilis es pour r aliser les premiers vols de haute altitude gt 80 km pour des buts militaires et scientifiques Les premiers spectres basse r solution dans P UV furent captur s vers l ann e 1948 2 Photographie d une fus e type Aerobee apog e de 230 kms permettant d obtenir les premi res im
51. 40 000 15 Jul 2002 20 04 51 000 15 Jul 2002 20 05 11 000 Simulated raster starting ot 20 04 40 Y arcaeca Y orcesce Y aresecs 40 20 G 20 4 60 40 20 0 20 40 60 40 20 0 20 40 60 u 40 20 o 20 40 en X arcsecs X arcsrca X arcsens x arcsecs Figure 9 Les trois premi res figures gauche repr sentent l ruption d un filament observ e par CDS et montrant l volution dramatique de ce genre d v nements la figure de droite montre la simulation du balayage de cette m me sc ne par un spectrographe fente de type CDS l instrument manque l v nement car il met 10 min construire l image courtoisie de L Harra ISSI workshop on solar activity November 2012 1 2 LE SOLEIL DANS L UV Le rayonnement ultraviolet UV couvre un large domaine spectral qui s tend de la limite du visible 400 nm jusqu aux fronti res des missions X 10 nm Ce spectre est g n ralement divis en trois grands sous ensembles UV proche NUV 400 300 nm PUV moyen MUV entre 400 300 nm et et le Vacuum UV VUV entre 200 10 nm qui 50 peut tre sous divis en deux cat gories UV lointain FUV 200 127 nm et extr me UV EUV 121 10 nm Comme on a vu dans les paragraphes pr c dents le choix de la gamme spectrale permet de tracer un certain nombre de param tres thermodynamiques en fonction de la temp rature du milieu atmosph rique o se forment les raies voir Figure 8 Le coupla
52. 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 A nm Figure 35 Mesure de la r flectivit normale d un rev tement A MgF optimis Ly a Tableau 6 Caract ristiques du t lescope l entr e de l IFTSUV constitu des deux paraboles hors axe OAP 1 et OAP 2 TELESCOPE Diam tre de la pupille 40 mm 1 4 20 Magnification 4 Longueur 1m Tableau 7 Caract ristiques des optiques du syst me d imagerie form par l ensemble des paraboles hors axe OAP 1 OAP 2 et OAP 3 OPTIQUES TELESCOPE OAP 1 OAP 2 OAP 3 Distance hors axe 50 mm 12 516 mm 50 mm Diam tre utile 46 mm 14 mm 40 mm Rayon de courbure 1600 mm 400 121 mm 837 212 mm Focales 800 mm 200 mm 421 610 mm Conicit 1 003 0 987 1 001 Epaisseur 10 mm Rev tement Al MgF 2 Efficacit de surface 85 Qualit de surface A 52 rms Substrat Z rodur 97 Tableau 8 Ensemble des param tres d finissant les sp cifications d imagerie de l IFTSUV PARAMETRES D IMAGERIE FOV 250 x 250 WFNO 42 R solution angulaire 1 Taille du pixel 6 5 um x 6 5 um Format du d tecteur 512x512 8 2 2 Qualit de l image La Figure 36 et la Figure 37 montrent les diff rents r sultats concernant la qualit de l image en sortie de l instrument Le syst me v rifie tous les crit res de qualit d image nonc s dans la section 4 2 2 2 de la premi re partie du document e La tache image g om trique est
53. Autres 73 COMPOSANTS ELECTRONIQUES Alimentation QL 355TP 1088 Multim tre TTI 1906 688 Carte PCI 8430 2 319 Connectiques 258 SYSTEME DE TRANSLATION Platine de translation PI M 405 CG 2108 Contr leur Mercury pour moteur DC 748 SYSTEME DE PIEZO ACTUATEURS Support de miroir 2 axes en boucle ouverte PI S 330 20 L 1825 Chassis d accueil E 500 1954 Modules d amplification basse tension E 505 4449 Frais de transport 50 MODULES PID Contr leur analogique PID SIM960 3 360 Chassis 8 slots SIM900 950 Interface GPIB OSIMO1 475 SUPPORT TECHNIQUE LABVIEW 590 Autres congr s formations 5454 TOTAL 40000 181 18 VALIDATION DU DEMONSTRATEUR 18 1 ETALONNAGE ET TEST DU SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE 18 1 1 Caract risation de la stabilit du syst me Un capot en mousse noire a t rajout afin d isoler le banc optique de toute fluctuation environnementale dans la pi ce Le but de cette enceinte est aussi de r duire au maximum les effets de lumi re ambiante parasite dans le syst me et d amortir tout effet de vibration acoustique Le laser est d port l ext rieur de cette structure pour viter tout r chauffement du syst me le faisceau p n tre l int rieur travers un trou optique Le graphique de la Figure 80 montre la d rive lente observ e pendant des mesures nocturnes sur les photodiodes en quadrature pour les quatre types de mesures effectu es pend
54. Avac 67 o Ac est la valeur de la longueur d onde de r f rence sous vide Les variations de temp rature de pression d humidit induisent donc des variations dans la longueur d onde mesur e sur toute la longueur du trajet optique interf rom trique aussi appel bras mort ou deathpath en anglais car d apr s l quation 38 on peut d une fa on g n rale crire en interf rom trie ne 68 2 2N Nair ou m est un nombre entier qui d pend du nombre de franges qui d filent et N est le gain dans la configuration a multi r flexions Il est donc possible d estimer l erreur de mesure de position Ax en fonction des diff rents param tres ambiants Ax xAn 69 o An est calcul e en fonction des param tres du Tableau 20 Si on prend L et L comme tant les deux longueurs de chaque bras de l interf rom tre on devra alors compter chacune de ces contributions l erreur comme Aly Aly L L2 An 70 L erreur de r fringence devient donc d autant plus grave que le parcours interf rom trique est grand et c est pourquoi il est important de minimiser ces distances ainsi que d avoir acc s des moyens de contr le par des sondes de temp rature pression et de compensation voire m me d isolement environnement sous vide sous nitrog ne pour tenir en compte ou annuler les effets de variation des param tres environnementaux Par exemple pour une distance de 20 cm une diff
55. Carl Zeiss de la soci t du m me nom L na en 1875 qui d couvrit sa nature et non a son principe Ils seront discut s plus tard dans les paragraphes 15 1 3 et 15 2 4 Le sous syst me d flectom tre assure le maintien de l alignement interf rom trique pour s affranchir des pertes de contraste et incertitudes de ddm qui se produisent lors de la course du miroir Il consiste en un d tecteur de position i e type photodiode lateral effect photodiode a quatre quadrants ou encore aussi un d tecteur type CCD en auto collimation pour la mesure des d viations angulaires du miroir introduites par le d placement de la platine reli e une boucle d asservissement pour une correction dynamique du tip tilt rotations autour des axes x ety Yx Yy enregistr Le syst me permet de mesurer ces deux param tres de rotation yx yy en fonction du d placement x y du spot sur la surface de d tection plac e au plan focal d une lentille convergente f voir Figure 57 Yx atan x f 34 yy atan y f Si Yx yy sont petits on peut r crire cette quation comme x t 35 y fY 132 avec Yx y exprim s en radians et les distances focale f mesur e en mm et les valeurs x et y mesur es sur le d tecteur en mm La stabilisation de la position angulaire du r flecteur mobile est assur e par des actuateurs pi zo lectriques qui asservissent la correction angulaire du tip tilt pendant la course par une boucle
56. Deux d entre eux l observation d une source tendue et le bruit d chantillonnage sont li s la technique FTSUV en elle m me le bruit de photon tant commun tout syst me bas sur des photo d tecteurs 7 3 1 Observation d une source tendue Les FTS profitent de l avantage de l tendue ce qui permet d avoir acc s un champ de vue instantan imag par une ouverture pouvant tre en th orie aussi large que d sir L ouverture de la pupille va cependant occasionner des effets de modulation sur les pixels du champ J P Maillard et al 2013 7 3 2 Bruit de photons Le bruit de photons issu de la nature statistique de la lumi re atteint tout instrument poss dant un syst me de photo d tection Ce rapport signal sur bruit cro t avec la racine carr e du nombre de photons collect s Les photons sont convertis par le d tecteur en photo lectrons suivant la m me statistique un facteur de rendement pr s efficacit quantique QE inf rieur a l unite 7 3 3 Bruit d chantillonnage Une des principales difficult s reli e a cette technique est que la transform e de Fourier suppose que l interf rogramme est collect intervalles d chantillonnage gaux La qualit et la pr cision du spectre reposent sur l exactitude du peigne d chantillonnage Cette derni re se voit d grad e par les points suivants e La connaissance pr cise de la position du miroir pendant la course l acquis
57. En combinaison a d autres techniques telles que le d p t de pigments fluorescents Lumogen ou l assemblage de galettes de micro canaux au plan focal MCP pour MicroChannel plate la sensibilit du capteur peut s lever a 40 pour le rayonnement VUV L utilisation de mat riaux semi conducteurs a large bandgap principalement de AlGaN mais aussi le diamant offrent un grand potentiel pour lavenir mais pr sentent encore de nos jours une faible maturit technologique rayon incident r flexion sp culaire r flexions diffuses Surface optique rugueuse Figure 22 Les irr gularit s de surface optique produisent des composantes de r flexion diffuse qui vont d grader les performances de l instrument 2 2 CHOIX INSTRUMENTAL L instrument FTSUV envisag a pour fonction de r aliser une cartographie spectrale des r gions actives du Soleil au voisinage de la raie Lyman a Cependant un bon nombre de techniques spectroscopiques combin es avec un d tecteur 2D permettent d obtenir un cube 3D de donn es contenant la fois les informations spectrales et spatiales de la sc ne observ e Les diff rentes combinaisons donnant lieu a un instrument hyperspectral peuvent se classer en fonction de la fagon dont le signal est spectralement discrimin en trois grandes cat gories Y Ferrec 2008 e Les techniques de spectroscopie filtre qui travaillent avec des composants de type filtre passe bande mais aussi avec des filtres
58. Res 88 pp 4935 4940 1983 Loewen E G and Nevi re M Simple selection rules for VUV and XUV diffraction gratings Appl Opt Vol 17 No 7 pp 7087 1092 1978 Loewen E G Nevi re M and Maystre D On an asymptotic theory of diffraction gratings used in the scalar domain JOSA Vol 68 Issue 4 pp 496 502 1977 Maillard J P Drissen L Grandmont F and Thibault S Integral wide field spectroscopye in astronomy the Imaging FTS solution Experimental Astronomy Vol 35 2013 Martinez Molina J J and Buche G Etude fr quentielle des syst mes continus Techniques ing nieur 2011 McCandliss GP Burgh E B and Feldmann P D Ultraviolet groove efficiency of a holographic grating implications for a dual order spectrograph Applied Optics Col 40 Issue 16 pp 2626 2637 2001 Millard A IFTSUV un spectrom tre imageur transform de Fourier dans PUV pour les prochaines missions spatiales solaires Th se 2005 de Oliveira N Joyeux D Phalippou D Rodier J C Polack F Vervioet M and Nahon L A Fourier transform spectrometer without a beam splitter for the vacuum ultraviolet range From the optical design to the first UV spectrum Rev Sci Instrum Vol 80 No 4 2009 Paletou F Transfert de rayonnement methods it ratives C R Acad Sci Paris t 2 S rie IV pp 885 898 2001 Pauluhn A Huber M C E and Von Steiger R The radiometric
59. SOHO il est souvent difficile voire impossible d identifier et analyser enti rement une structure tendue ou dynamique la plupart de ces instruments poss dent des syst mes balayage de champ qui sont trop lents pour satisfaire aux besoins scientifiques voir Figure 9 Il est donc g n ralement n cessaire de recourir des images de contexte fournies par d autres plateformes Bien qu il s agisse de techniques d observation tr s puissantes l imagerie et la spectroscopie exploit es de fa on ind pendante pr sentent donc des limites Afin de surmonter ces limitations des campagnes d observation simultan es provenant de diff rentes plateformes et instruments au sol et dans l espace sont souvent mises en place L analyse de donn es fournies par spectrom tres et imageurs se voit cependant limit e par le manque de coh sion entre les mesures provenant d instruments diff rents domaines de longueur d onde et r solutions spectrale spatiale et temporelle ainsi qu l absence de synchronisation des acquisitions et du co alignement spatial entre instruments Ainsi les nouvelles g n rations d instruments d di s aux tudes du Soleil se doivent d associer imagerie et spectroscopie comme cela se fait d j dans d autres domaines 49 Solar corona magnetic loops coronal holes 0 3 5nm D mm 1 8nm gt Fe ix et h 17 1nm p SOHO EIT Yohkoh 7 Radioheti h Radiohet h ohko
60. X semble avoir une r ponse la consigne moins performante que Taxe Y M me si l implantation d un algorithme de compensation du ph nom ne d hyst r sis sur l organe de commande n est pas possible d tre implant dans la boucle de r gulation du d monstrateur on pourra consid rer que ses effets seront d risoires lors du r sultat final 197 Hyst r sis de l axe X en monor flexion Ain 100um 100um Mesure Axe X um 08 0 6 DA 2 2 0 Consigne sur l axe X V Hyst r sis de l axe X en monor flexion AXin SOQum 50um Mesure Axe X pum 045 0 35 0 25 0 15 Consigne sur l axe X V 0 2 0 4 06 08 0 05 0 05 0 15 0 25 0 35 DAS Mesure sur l axe X um Mesure sur l axe X ym Hyst r ris de l axe X en MR AXin 100um 100um 8 AC SL 80 Dy fei e Dk it i y un 20 W y y D 0 La ob WAS 20 vi pS M T 40 DW ong 0 Ls NU 0 vin 100 1 Rap Ste gt A A 02 0 15 41 0 05 o 0 05 0 1 0 15 02 Consignes sur l axe X V Hyst r sis de l axe X en MR AXin 50um 50um so o int 30 vi ye Wi 10 aoe Lib ite ost WA 10 ate pr 2 AL 30 aie gt 40 il so tu 0 1000 0 0800 0 0600 0 0400 0 0200 0 0000 0 0200 0 0400 0 0600 0 0800 0 1000 Consignes sur l axe X V Hyst r sis de l axe X en monor flexion AXin 20um 20um 15 10 Mesure Axe X um e ER 10 15
61. aide technique et leur exp rience Cydalise D et son sourire J C et sa musique Manou et ses doigts de f e Fran ois L et son whisky V ro H et les pauses clope Vincent C qui m a un jour sauv la vie Yuying L et sa gentillesse Vincent H et son g nie Fanny Cabb et ses dessins Bruno amp Nicolas et leur jolies pieces Je voudrais finalement remercier la constellation d amis qui ont toujours inspir mon univers gr ce aux moments d lirants que j ai pu partager avec eux ainsi qu leur soutient dans les moments difficiles et m me lorsque la distance a pu nous s parer Je parle bien des personnages suivants Le Chispi chispi team organisation d individus hautement inventive bas e Madrid et gr ce laquelle jai pu me retrouver dans les situations les plus dr les de ma vie Les triples C Camillo Carolo C lino mais aussi Leo car malgr le peu de temps que j ai pu passer avec elles sur cette fin de th se c est grace ce petit groupe de jolies filles que j ai pu trouver le confort et la familiarit lors de mon arriv e dans Paris A la colloque laquelle je remercie leur soutien leur sympathie et de m avoir laiss les squater de temps en temps merci beaucoup Sophie Aurore et Alex mes amis pour toujours Frutos Guerra Juan Elena Chava et mes amis des vacances Tony Marta Rayco Ru Borja je me sens sinc rement ravie de vous a
62. and signal to noise ratio Throughout the identification of difficult points the realization of a servo metrology system dedicated to the sampling mirror appears naturally as an intrinsic need of proof of concept Indeed the wavenumbers from the raw spectra are set by the interferogram That implies that acquisition must be rigorously constant and that the sampling steps must be known with high accuracy The mockup of a metrological solution is therefore the second objective of this work The optical breadboard architecture under test has been chosen to meet the needs of angular stability lt 2 5 urad and linear accuracy lt 8 nm The results on the demonstrator validate the concept even if its performances are away from the theoretical predictions The experimental performance evaluation is used to establish solutions to the instrumental problems encountered That converge to the optimization and prototyping of a system that could be integrated in a space based application Keywords Solar physics Far UV Imaging Fourier transform spectrometer metrology 30 REMERCIEMENTS Cette th se ne se serait jamais men e jusqu au bout sans l existence des personnes cit es par la suite et auxquelles je m appr te remercier Je voudrais en premier lieu pouvoir remercier mon directeur de th se Thierry Appourchaux ainsi qu mes co encadrants Jean Claude Vial et Anne Philippon C est gr ce Jean Claude et Anne que j ai pu venir en Fran
63. contenue dans le diam tre d Airy Figure 36 a Figure 37 et Tableau 9 Tableau 9 R sultats obtenus dans le diagramme de spot de la Figure 36 a et la Figure 37 L ensemble des valeurs de la tache image g om trique est contenue dans le diam tre d Airy dar 13 um pour les valeurs extr mes du champ FOV x y en arcsecs 0 0 125 0 125 0 0 125 0 125 Rayon rms um 0 066 0 634 0 541 0 596 0 596 Rayon g om trique um 0 122 1 055 1 044 1 247 1 251 e 80 de la lumi re est contenue dans une surface de 9 um de diam tre Figure 36 b e Le front d onde v rifie les crit res de Rayleight et Mar chal Figure 36 c et Figure 36 d La qualit d image ne d pend que de param tres g om triques on n a pas d effets chromatiques lorsque le syst me optique ne contient que des miroirs ll est cependant important de faire une analyse d taill e sur les points extr mes du champ pour faire appara tre les effets de certaines aberrations et de la distorsion La Figure 38 montre le diagramme de Seidel du syst me optique l aberration plus importante retrouv e est la distorsion suivie de la courbure de champ l astigmatisme et le coma La distorsion et la courbure de champ introduisent des d focalisations qui pourraient d grader la qualit du spot ZEMAX permet de calculer la distorsion en ou en valeurs absolues dans un plan donn pour un champ de vue donn et une longueur d onde
64. convection ainsi qu l existence de ph nom nes transitoires massifs et hautement nerg tiques tels que les ruptions Le diagnostic complet de l atmosph re solaire ne peut donc tre accompli qu travers des mod les radiatifs sophistiqu s qui tiennent compte de la nature atomique de la mati re ainsi que de la dynamique des interactions avec le magn tisme du Soleil Pour concevoir une solution exhaustive l aspect th orique du probl me doit in vitablement tre coupl une approche observationnelle du Soleil La dynamique solaire peut ainsi tre d termin e en fonction d un jeu de donn es concernant des mesures sur la structure spatiale 3D mais aussi sur les param tres thermodynamiques du plasma environnant L tude de la morphologie des structures et des couches d pend des performances en termes de r solutions spatiale afin d observer la g om trie macroscopique et de r soudre les microstructures et spectrale de fa on pouvoir distinguer les diff rentes temp ratures l int rieur des structures L tude dynamique qui permet de d voiler les r organisations de mati re li es au champ doit se porter sur la connaissance du vecteur de vitesse Pour cela il est indispensable d avoir un instrument capable de r soudre dans les chelles de temps rapides les mouvements de mati re dans le plan d observation et aussi le long de la ligne de vis e La d tection des vitesses 2D contenues dans le plan d observati
65. coronale La courbe en pointill es montre la variation de la section efficace de l oxyg ne atmosph rique a 203 K en fonction de la longueur d onde 59 RELATME NTENSTY Jv KR 2 u OX TT eo gt 3 240 er eat s ES 280 ape u AAA Aan Lat rr e Eege TF Sa es a a LE a es es a as as 12 WAVE DETH W Figure 17 A gauche profils Lyman alpha moyens observ s a trois r gions diff rentes d un filament par l instrument SUMER SOHO Vial et al 2007 A droite estimation des intensit s moyennes de l mission Lyman alpha d une protub rance en mouvement une altitude de 50000 km Heinzel et Rompolt 1987 Chaque courbe repr sente l intensit relative en d un demi profil trac en fonction de la vitesse de la structure de 0 280 km s 1 3 CAHIER DES CHARGES SCIENTIFIQUES L objectif principal d un spectro imageur fonctionnant dans le VUV est l observation de ph nom nes rapides dans l atmosph re du Soleil et en particulier de ses r gions actives Dans cette premi re definition du besoin on visera l observation d une raie forte du spectre UV lointain solaire l mission alpha de la s rie Lyman de l Hydrogene Ly a 121 567 nm cf section 1 3 1 Partant de ces objectifs il faut traduire le fonctionnement d un tel instrument en termes de sp cifications spectrales et d imagerie qui d finissent comment l information doit tre collect e L ensemble des sp cifications scientifiqu
66. dans la relation 74 peut alors tre trait comme un probl me de multiplicateurs de Lagrange qui peut tre r solu par diagonalisation Taubin 1991 Fitzgibbon et al 1996 Halir et al 1998 Harker et al 2008 L approche matricielle permet de r aliser un ajustement qui pr sente une algorithmie non it rative rapide efficace robuste et relativement simple impl menter Cette m thode peut tre adapt e au probl me qui nous concerne Heydemann 1981 Cip et al 2000 Zumberge et al 2004 Pozar et al 2011 et d obtenir les valeurs des coefficients des amplitudes des offsets et de phase r siduels dans l quation 71 75 Une fois que les param tres A Ay Xo Yo et po sont obtenus par l ajustement la phase corrig e peut tre calcul e par la relation Cz me b tan mt S S y a o a b etc sont des param tres issus de l ajustement sin 1 ee Po 77 a gt AZ Ax Ay AS et f tel que 8 gt 0 Cet ajustement fait que linterf rom tre homodyne est pratiquement exempt d erreurs de non lin arit s Harker et al 2008 Pozar et al 2011 L incertitude associ e a ce calcul aura pour cause les variations des param tres pendant l acquisition et peut tre estim e par des simulations de Monte Carlo ainsi que par l erreur r siduelle donn e par la matrice de perturbation du systeme Kanatani et al 2070 153 SIGNAUX SIMULES Erreurs_param tres Signal Ajus
67. de 0 1 um sur la pr cision du capteur Finalement les photodiodes effet lat ral sont en principe insensibles la taille du spot et les effets de d focalisation seront donc moins tangibles on a par exemple que pour une erreur de 1 mm sur le r glage de la focale et pour la course maximale des pi zo soit 2 5 mrad l erreur sur la distance mesur e est de 20 um projet s sur le d tecteur de position 15 2 5 La boucle de r gulation PID Le probl me de conception d un bon syst me de contr le est essentiellement celui de l ad quation de la dynamique caract ristique du processus celle du contr leur La qualit d un syst me asservi est jug e par sa rapidit et sa pr cision mais aussi par la stabilit et la robustesse avec lesquelles il suit la loi d entr e La repr sentation g n rale d un processus de r gulation est sch matis e dans la Figure 70 Les r gulateurs P D constituent une solution performante qui m rite d tre le premier choix lors d un besoin en automatisme cependant en fonction de la complexit du syst me leurs capacit s de succ s se voient r duites Bien qu efficace l approche d une commande de r gulation PID est parfois limit e car elle pr suppose qu une description appropri e du processus est disponible Cette conjecture 161 peut s av rer vraie pour des syst mes d crits par un mod le de premier ou de second ordre dont l identification est sommaire Or on peut dire qu
68. de la diff rence de chemin optique afin de pouvoir maintenir les sp cifications demand es l instrument La deuxi me partie du manuscrit aborde la r alisation en laboratoire du banc optique du d monstrateur de m trologie de l instrument FTSUV Le chapitre lll pr sente le concept optique choisi pour la r alisation de la maquette du d monstrateur du syst me de m trologie L tude men e dans le chapitre pr c dent permet d tablir les sp cifications pr liminaires du syst me Le chapitre IV d veloppe l aspect mat riel la r alisation de la maquette ainsi que les tests et r sultats sur le dispositif sont pr sent s L analyse des difficult s rencontr es lors de la r alisation du banc est discut e ainsi que les performances atteintes lors de l exp rience La revue critique du concept aboutit la conclusion du chapitre Une solution de type monolithique de l architecture m trologique est propos e en perspective Ce nouveau concept bas sur le principe d origine permettrait de s affranchir des difficult s exp rimentales rencontr es et pourrait s int grer dans le syst me FTSUV en vue d un possible d veloppement spatial 70 PREMIERE PARTIE 72 DEFINITION DES SPECIFICATIONS D UN IFTSUV Ce chapitre pr sente une vision globale du fonctionnement de linstrument FTSUV Premi rement la description du concept de spectro imageur transform e de Fourier est abord e Comme vu dans l introduction l
69. de r gulation c f section 14 y Py lacet Miroir mobile gt X px tangage Z z roulis Axeoptique gt Ze Figure 56 Illustration de l ensemble des rotations parasites venant perturber le miroir d chantillonnage lors de son d placement plan focal de f la lentille A gt A _ ____ _ _ faisceau incident _ axe optique X Y lentille de focalisation d tecteur de position Figure 57 Illustration de la formation de l image du spot laser de pointage dans le plan focal du d tecteur de position 133 12 4 CONFIGURATION EN MULTI REFLEXION Dans la configuration en multi reflexion Figure 58 le faisceau incident frappe le miroir mobile M avec un angle a et est r fl chi sur le miroir M qui se tient un angle de coin O par rapport M Le faisceau subit alors de multiples r flexions entre le coin des miroirs avant de sortir en retour inverse suivant exactement le m me chemin que la lumi re incidente Chandra et al 1982 Pisani M et al 2006 de Oliveira N et al 2009 Ceci permet d amplifier la fois ses d placements en vue d une mesure interf rom trique et les rotations parasites du miroir mobile en vue d un asservissement sur une direction fixe Le nombre de r flexions N pour que la condition de retour inverse du faisceau soit satisfaite d pend de la relation entre langle d incidence du faisceau a et la valeur du coin d angl
70. des points critiques sur les bases de la r alisation d un mod le de performances radiom triques y compris des tudes de lumi re diffus e de l instrument IFTSUV e Definition d un premier concept d architecture instrumentale avec notamment la conception et implantation du syst me de m trologie 22 1 2 Pr paration du futur projet e R amp T permettant de valider l ensemble du concept r alisation d un d monstrateur fonctionnant sous vide pour des observations Ly a IHO ISS Etude et d finition de la programmatique de l instrument centr e sur la d finition des diff rents modes d observation et bas e sur la possibilit de changer les longueurs d onde de centrage Lyman B OVI CM A 247 e Conception d une version ultra rapide au sens photom trique d un instrument grande ouverture pour les missions spatiales se situant dans l horizon 2025 2030 248 ANNEXES A ANALYSE DE FOURIER La technique d analyse de fonctions p riodiques fut d velopp e par Jean Baptiste Joseph Baron de Fourier 1768 1830 Le d veloppement des algorithmes et de calcul num rique ont fait de l analyse de Fourier un outil de traitement du signal extr mement puissant dans des domaines scientifiques tr s vari s Elle constitue par exemple le pilier du fonctionnement d un spectrom tre par transform e de Fourier LA TRANSFORMEE DE FOURIER D finition Soit une fonction f int grable sur tout intervalle oo
71. du cube A cet effet peuvent s ajouter des erreurs d alignements et de retard qui se traduisent par des interf rences parasites et des m langes de phase Au niveau du syst me de d tection de quadrature de phase ceci se traduit par des non lin arit s qui viennent d grader la pr cision de mesure de OPD cf paragraphe 15 1 2 Les non lin arit s sont accentu es par des d fauts d alignement qui la fois sont contraints par les sensibilit s des diff rents supports et montures de r glage manuel L erreur th orique d alignement est de 5 2 rms soit une erreur de 4 5 nm Cependant et gr ce l utilisation de l algorithme de compensation de phase cf paragraphe 15 1 2 cet effet a pu tre bien att nu ce qui a permis d obtenir des r solutions sub nanom triques 20 1 4 La configuration en multi r flexion Le facteur de gain ayant pu tre r gl sur la configuration multi r flexions est de 2N 4 Cette valeur est tr s en dessous de la valeur sp cifi e 2N 56 ce qui a aussi limit les performances souhait es Les facteurs qui ont contraint le r glage sont 20 1 4 11 L alignement Le r glage des miroirs est devenu de plus en plus sensible au fur et mesure que l on ajoute des r flexions ce qui fait qu un ajustement manuel pr cis s est av r impossible au del de cette valeur Cette pr cision de r glage a t donc limit e d une part par les caract ristiques du montage et de l au
72. du taux de lumi re dans le VIS IR pourrait de m me tre rejet au niveau du miroir secondaire Sa s lectivit pourrait tre con ue de fa on a ce qu il soit transparent ce rayonnement un substrat en verre thermiquement stable est utilis alors comme cible absorbante en ZERODUR mais aussi en Ultra Low Expansion Corning ULE La structure 3D du sch ma optique permet d am nager une cavit pour isoler le bloc de mesure FTSUV Les rev tements des parois seraient dimensionn s pour chaque l ment m canique l int rieur de fa on diminuer leur missivit et taux de r flexion sp culaire produits par exemple par la dispersion des ordres de diffraction non souhait s Afin d optimiser les capacit s du filtrage trap zo dal dans le syst me double r seau cf paragraphe 5 1 1 et ANNEXE 8B des structures de blocage pourraient aussi tre dimensionn es et distribu es sur chacun des miroirs de replis M M M M et sur les r seaux R1 et R2 Le logiciel ASAP Advanced Systems Analysis Program permet de mod liser la lumi re parasite sp culaire et diffus e atteignant le plan focal et g n r e par l ensemble des l ments m caniques et optiques dans le syst me Cet outil permet aussi de dimensionner les diff rents l ments de blocage de ces rayonnements 7 4 3 Observation d une source variable Un FTSUV est un instrument qui enregistre les variations d intensit de l interf rogramme de la so
73. entre les miroirs et du laser qualit du faisceau diam tre puissance divergence et stabilit ainsi que de la diff rence de marche totale chantillonn e Le nombre de r flexions maximum Nax sera limit par les diam tres du faisceau laser d et du miroir D suivant la relation Pisani et al 2006 _ cos a D 93 max d De m me l angle minimum ann entre le miroir d chantillonnage et laxe optique voir Figure 58 d pend du diam tre du spot ainsi que de la distance entre les miroirs h selon d 94 Amin sin en En raison de l angle d incidence non nul chaque r flexion sur le miroir mobile n est pas orthogonale au d placement ce qui ajoute un facteur d erreur en fonction du cosinus de 163 rangle a Le d placement du miroir provoque en plus un d calage lat ral de l ensemble du motif de r flexion voir Figure 71 Ces deux effets sont source d incertitudes f N a sur la diff rence de marche calcul e en fonction de l angle a et du nombre de r flexions N Ils ont t d crits par Pisani en 2009 qui a valu la magnitude de l erreur sur la dam comme noei ae eo f N a 5 Wo avec a exprim en radians Le diam tre du faisceau laser doit alors de pr f rence rester le plus petit possible Ceci permet d atteindre des grandes valeurs de N en r glant petit et de diminuer les erreurs f N a qui se traduisent par une perte de pr cision sur la ddm En plus si le faisceau lase
74. environ 20 dans le cas de la configuration en multi r flexion voir Figure 87 Cet effet se voit corrobor en analysant les r sultats sur les param tres Xo Yo Ax Ay et Do mesur s et calcul s pendant cette course Chaque acquisition comprend un aller retour du miroir d chantillonnage Les valeurs ont t 185 moyenn es pour 6 acquisitions de course diff rentes Ces param tres ont t calcul s gr ce IDL sur 750 intervalles de course Chaque intervalle contient 7 0 5817 ellipses dans le cas classique et 30 1 50228 ellipses en multi r flexion Le comptage d ellipses ou d multiplication de la diff rence de marche devient plus fin lorsque l on se situe dans une configuration en multi r flexion l erreur de comptage exp rimental induit une erreur sur la ddm calcul e qui est de l ordre de 4 en mono r flexion et de 0 6 en multi r flexion Afin de pouvoir comparer les r sultats dans les deux diff rentes configurations ainsi que pour leur ult rieure traitement le jeux de donn es mesur es x y a ensuite t r duit suivant la relation Harker et al 2006 voir Figure 87 Sxi Sy MX X yi Y 99 o x et y sont les moyennes sur les n points de mesure et m est un facteur d chelle tel que 100 2n lu 02 Oi La Figure 88 la Figure 89 la Figure 90 la Figure 91 et la Figure 92 montrent l volution des param tres calcul s en fonction de la cours
75. environ 9 lorsque le miroir arrive au bout de la course Cet effet est peut tre cons quence d un mauvais alignement auquel on serait plus sensible en ayant plusieurs r flexions en cons quence les faisceaux de r f rence et d chantillonnage ne restent pas parfaitement superpos s au cours de la course ce qui expliquerait cette perte de 186 contraste progressive Apr s soustraction de la droite d ajustement on obtient les nouvelles courbes de la Figure 83 PARAMETRES D AMPLITUDE Ax Ay CALCULES Multi r flexion et sans asservissement 0 0015 0 0010 0 0005 UA 0 0000 0 0005 0 0010 FF 0 0015 E N 1 L o 50x10 f 0 0015 0 0010 0 0005 0 0000 Ay UA 0 0005 f 1 0 0010 ff 0 0015 o 50x10 10x10 15610 OPD nm 1 0x 10 OPD nm 1 5 10 0 0015 0 0010 ti Vh 0 0005 0 0000 Ax UA 0 0005 f 0 0010 0 0015 o 0 0015 0 0010 Ay UA 0 0000 0 0008 0 0010 0 0015 o M pn 0 0005 hy YA l 5 0x10 OPD nm 50x10 OPD nm 10x10 1 0 10 Figure 83 Param tres d amplitude obtenus en fonction de la course du miroir pour une configuration en multi r flexion Apr s soustraction de la droite d ajustement cf Figure 91 les valeurs des amplitudes pr sentent des oscillations tous les 0 25 mm dans le cas ou le miroir s loigne et 0 5 mm quand le miroir revient a la position z ro L amp
76. foap 2 200 mm pour chacune des deux paraboles a l entr e Le t lescope fait une longueur de 7 m L optimisation sous ZEMAX de l ensemble des trois paraboles hors axe sur lISL 4 6 nm autour de Ly a conduit un rapport d ouverture en sortie de WFNO 43 une r solution angulaire de 1 5 et une tache image de 13 um de diam tre en limite de diffraction cf Figure 36 et Figure 37 Les diam tres des miroirs ont t choisis pour tre la fois adapt s louverture de la pupille et pouvoir accommoder le champ de vue sans vignettage Le mat riau le plus couramment utilis comme rev tement de miroir dans le domaine de longueur d onde sous tude est de type multicouche d Aluminium et Fluorure de Magnesium Al MgF Ce type de rev tement optimis pour la raie Ly a Figure 35 permet d atteindre des r flectivit s de miroirs de l ordre de 85 Afin d assurer une bonne performance d imagerie mais aussi de spectroscopie cf section 6 3 1 3 aux longueurs d onde tudi es la qualit des surfaces optiques sera de 4 52 rms 632 8 nm soit 12 nm rms en front d onde 96 L ensemble de ces param tres ainsi que les autres l ments d finissant les trois paraboles hors axe conicit s valeurs des hors axes issus de l optimisation du syst me sont r sum s dans le Tableau 6 Tableau 7 et le Tableau 8 R flectivit du Al MgF 0 8 0 7 a 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 R flectivit UA 50
77. gions quatoriales se propageant une vitesse moyenne de 450 km s et le vent solaire rapide issu v 750 km s des p les En 46 p riode d activit solaire ces deux composantes deviennent souvent indiscernables cause par exemple des explosions de CME venant modifier les caract ristiques du vent solaire L coulement du vent solaire est radial et turbulent Les calculs th oriques montrent de grandes difficult s expliquer l acc amp leration supersonique du vent rapide Pendant longtemps on a attribu l origine de ce r gime la perte de masse des trous coronaux N anmoins pour atteindre ces vitesses avec les hypoth ses des mod les existant il faudrait une temp rature des trous bien plus lev e qu elle ne l est en r alit Bien que Ton comprenne les origines du vent solaire les d tails sur la fa on dont le vent solaire est acc l r aux vitesses du vent solaire reste l une des derni res questions concernant la couronne On a pendant longtemps attribu l origine du vent solaire rapide aux trous coronaux cependant les calculs th oriques montrent d normes difficult s pour expliquer du plasma coronal et la perte de masse partir des trous Si l origine du vent solaire est de plus en plus comprise les m canismes d acc l ration qui conduisent au vent solaire rapide sont encore une source de nombreux d bats Figure 7 Sch ma de la direction des lignes de champ magn tique solaire en b
78. importante ce qui se traduit par une diminution de la bande passante Le vieillissement et le fluage ou d rive des actionneurs pi zo sont d autres effets qui n interviendront pas dans notre exp rience car il s agit de ph nom nes long terme L angle des actionneurs requiert la connaissance de la distance s parant l angle pi zo lectrique du point de pivot du miroir mobile soit environ 6 mm ainsi que de l tirement maximal de l actionneur pi zo lectrique L angle maximal sous tendu par le miroir mobile sera de 3 5 mrad et l angle de r flexion maximal du faisceau sera le double de celui la soit 7 mrad Les d fauts d alignement issus d un mauvais r glage m canique seront discut s dans le paragraphe qui suit 15 2 4 R glages du sous syst me Les d fauts d alignement entre le miroir mobile et le d tecteur de position conduisent des erreurs syst matiques de pr cision sur le syst me de pointage Dans une premi re approche paraxiale il faudra faire attention aux r glages au niveau du miroir mobile M du miroir fixe en multi r flexion M du cube s parateur BST de la lentille de focalisation f et aussi du d tecteur de position lui m me voir Figure 54 Un d faut de r glage de la platine de pi zo actionneurs par rapport l axe optique conduit a des erreurs de diaphonie Si on module de fa on ind pendante et lin aire un des deux axes des pi zo on devrait g n rer en sortie du
79. incertitude li e aux variations des param tres environnementaux a t mesur e cf paragraphe 18 1 1 0 38 nm s ce qui fait une erreur totale de 3 8 nm pour 10 s de course Les erreurs de tangage et de lacets d tect s pendant la course sont d environ 4 5 urad cf paragraphe 18 3 1 L erreur d Abb lin aire pour un bras de levier d environ 70 mm est de 45 nm La boucle de r gulation a pu cependant corriger les d viations angulaires mesur es pendant la course voir Figure 118 Figure 119 Figure 122 et Figure 123 avec la pr cision donn e par le d tecteur de position soit 3 5 urad en mono r flexion et 0 9 urad en multi r flexion ce qui entraine un erreur d Abb de 35 nm en mono r flexion et de 9 nm en multi r flexion Les erreurs en cosinus mesur es sont dues un mauvais r glage entre l axe de d placement de la platine et laxe optique cf paragraphe 18 3 1 et Figure 114 Figure 115 et Figure 116 Malgr que ces erreurs aient aussi t rattrap es par l asservissement elles se maintiennent comme une source d incertitude sur la ddm qui est de 76 nm en mono r flexion et de 222 nm en multi r flexion Il s agit d un des contributeurs majeurs d erreur sur la pr cision du syst me L impact des effets de diaphonie et d hyst r sis a t n glig cf paragraphe 18 2 2 et paragraphe 18 2 3 Les effets des variations de vitesse et de vibrations dans le syst me n ont pas t tenus en compte da
80. interaction EM l int rieur de la zone modul e de la structure voir Figure 139 Figure 138 Illustration des diff rentes zones dans un r seau de diffraction La ph nom nologie du probl me ne peut tre d crite enti rement qu en utilisant des th ories prenant compte de la nature vectorielle de la lumi re Les premi res approches rigoureuses 259 arriv rent au cours des ann es 60 et de nombreuses m thodes sont de nos jours accessibles Chacune de ces m thodes passe par la r solution des quations de Maxwell pour chacun des deux tats de polarisation ind pendants TM et TE On peut affirmer que de nos jours pour chaque type de r seau connu il existe au moins une m thode qui fournit une solution satisfaisante Comme toute th orie de limites il est n cessaire de conna tre son domaine de validit Les deux types de r gimes peuvent tre d cris avec un bon accord par le rapport entre la longueur d onde de travail et la p riode A a Loewen et al 1977 Si A a gt 0 2 on retrouve le r gime vecteur gouvern par les quations de Maxwell et l efficacit d pendra fortement de la polarisation de la lumi re incidente alors que pour A a lt 0 2 et que le rapport entre la profondeur du pas et la p riode est h a lt 0 05 l tat de polarisation ne va pas influencer l efficacit de diffraction et on peut approcher le probl me par les th ories scalaires Une troisi me cat gorie d anomalie appel
81. j ai pu partager des petits moments rigolos Ah et Seb F de venir nous interrompre dans le bureau de temps en temps tu vas nous manquer Je voudrais 32 aussi remercier mes deux stagiaires Thibault V et Anaelle D qui ont contribu avec leur motivation et travail l avancement de mes recherches et auxquels je leur souhaite un avenir plein de succ s Je souhaiterais de m me remercier Elie S pour toutes nos pauses repas et nos conversations en fragnol qui m ont toujours permis de d compresser un peu Un tr s grand merci pour toute l aide technique qu a pu m apporter Karin D lors de la mise en place des interfaces de contr le de l exp rience et pour les petits concerts ensembles Dans ce sens l le remercie aussi les interventions de Samuel P et Monsieur Bonnet car j ai beaucoup appris gr ce eux des nombreuses astuces et manipulations de Labview De m me merci Daniel A et Jerem J d avoir su g rer temps mes petits soucis informatiques A la station d talonnage Andr C et son quipe m ont fait sentir comme chez moi en mettant a ma disposition tout ce dont j ai eu besoin et c est pour cet accueil et cocounnement que je veux aussi leur dire merci J ai ici c ur de remercier Mehdi B pour ses id es g niales son enthousiasme et son norme encouragement tout au long de ma th se Si j ai pu finir ce travail c est en grande partie gr ce toi Merci galement pour toute leur
82. la droite d ajustement id ale en fonction du d placement du miroir exprim en nm mesure du signal d erreur sur l axe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en mono r flexion et sans boucle de r gulation 219 Figure 119 De haut en bas mesure de l cart entre la diff rence de marche mesur e e nm et la droite d ajustement id ale en fonction du d placement du miroir exprim en nm mesure du signal d erreur sur l axe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en multi r flexion et sans boucle de r gulation ssssssssnnnensereeenn 220 Figure 120 De haut en bas erreur mesur e sur la ddm spectre de d erreur mesur e sur la ddm ddm filtr e par un filtre diff rence seconde d riv e densit spectrale du bruit densit spectrale en sortie du signal d erreur du d tecteur de position Ces mesures se correspondent aux tests r alis s ENEE EE 221 Figure 121 R p tabilit de la course du miroir en mono r flexion et multi r flexion et sans En EE 222 Figure 122 De haut en bas mesure de l erreur entre la diff rence de marche mesur e et la droite d ajustement id ale mesure du signal d erreur sur l axe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en mono r flexion et avec boucle de regu
83. la fluctuation maximale du systeme est de 0 38 nm s 183 Variations du signal mesure sur les detecteurs en quadrature pour le systeme en monoreflexion et sans asservissement 04 Amplitude V o ao o N 0 1 0 1000 2000 4000 5000 3000 Temps 5xs Variations du signal mesure sur les detecteur en quadrature pour le systeme en monoreflexion et avec asservissement Amplitude V Variations du signal mesure sur les detecteurs en quadrature pour le systeme en multi reflexion et sans asservissement 0 35 o amp EI a to a SENTE Amplitude V o iy o 0 15 Lull LL AAR EEEREN 1000 2000 3000 4000 5000 Temps 5xs Variation du signal mesure sur les detecteurs en quadrature pour le systeme en multi reflexion et avec asservissement TTT IA TTTTT T ITTTTTTTTTTT 0 4 Es 03 3 2 D a H H lt 0 2 H 01 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Temps 5xs Temps 5xs Figure 80 Mesure nocturne des photodiodes en quadrature de phase A gauche Michelson homodyne classique sans asservissement figure du haut et avec asservissement figure du bas droite syst me en configuration en multi r flexion
84. la figure doivent tre soustraits L effet net peut tre corrig et calcul par l expression 95 et se traduit par un gain l g rement inf rieur 2N 1 164 16 CONCLUSIONS 16 1 CAHIER DES CHARGES DU DEMONSTRATEUR On a montr dans ce chapitre comment aborder th oriquement les besoins en termes de m trologie de l instrument FTSUV La solution retenue se base sur un sous systeme d interf rom trie homodyne pour la mesure dimensionnelle de la diff rence de marche et une boucle de r gulation pour assurer la stabilit de chariotage du miroir Les deux sous syst mes partagent une m me source laser de r f rence L architecture de m trologie devient fonctionnelle en exploitant la face arri re du miroir scientifique La mesure du spectre scientifique aura alors la m me pr cision relative que celle sur la mesure m canique C est justement dans le but d am liorer la sensibilit de mesure qu un syst me d amplification optique entre le miroir mobile et un miroir fixe de r f rence a t impl ment dans le sch ma Le cahier des charges et les sp cifications techniques du besoin en m trologie est exprim dans le Tableau 22 Dans son mode de fonctionnement nominal ces deux sous syst mes devront assurer une stabilit de d placement de 2 5 urad pour une course maximale de 1830 928 um Des d placements de 824 nm doivent tre mesur s avec une pr cision de 8 nm sur chaque pas de mesure lin aire La vitesse de d pla
85. le Figure 79 Cablage du bo tier d entr e sortie de la carte d acquisition 179 Tableau 26 R sum du plan de test du d monstrateur PLAN DE TEST DESCRIPTION Mesure du contraste et du SNA du syst me de Etalonnage du syst me de y d tection de quadrature de phase quadrature de phase Caract risation de la stabilit du Mesures de la stabilit long terme du syst me de ETALONNAGE DU SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE Systeme quadrature de phase Test de l algorithme de Simulation et analyse des performances de correction de phase l algorithme d ajustement de phase Caract risation du capteur de position Mesures de la stabilit long terme du syst me de pointage Caract risation de la r ponse lin aire de l ensemble capteur actionneur Etalonnage du syst me de pointage Caract risation de la course de Caract risation du d placement du miroir l erreur la platine en cosinus mesure des tangages et lacets Caract risation de l hyst r sis Caract risation des niveaux d hyst r sis sur ETALONNAGE DU des pi zo actionneurs chacun des axes des actionneurs pi zo lectriques SOUS SYSTEME Sen D ALIGNEMENT Caract risation de la fonction de transfert SYNCHRONE amplitude et phase des axes des actionneurs pi zo lectriques Mod lisation du syst me Caract risation de la r ponse en fr quence du syst me Caract risation des
86. lentille de focalisation Comme il s agit d une mesure relative et que les translations conservent les angles les d calages le long des axes perpendiculaires laxe optique qui ne rajoutent qu un offset sur la mesure peuvent tre n glig s Les d salignements angulaires yy et y au niveau du cube s parateur et de la lentille quant eux modifient l angle r el mesurer qui devient en fonction de l axe i y 89 Vaani 1 Yy Yr hi Le d r glage angulaire devra donc rester au dessous de la pr cision souhait e soit 2 5 urad L utilisation d un iris en sortie du cube permet de limiter le champ observ par la lentille et r duire les impr cisions de r glage Pour un syst me en multi r flexion la tol rance devient moins s v re car l angle r gler est amplifi d un facteur AN x 2 5 urad Un autre facteur limitant la pr cision du syst me de pointage concerne l incertitude sur le d salignement de la photodiode effet lat ral les relations trigonom triques 34 et 35 ne sont v rifi es que si la surface du capteur de position est perpendiculaire Taxe optique Lorsqu il existe un angle que ce soit par rapport laxe X Ayz ou par rapport a Paxe Y Ayy l estimation peut devenir inexacte car la valeur de langle projet e et mesur e sur la surface du capteur devient x 90 cos Ayx E_ Y cosAyy Pour avoir donc une idee de cette incertitude une erreur de 7 se traduit par une erreur
87. lentilles permet de juxtaposer les spectres dispers s par un r seau convenablement orient mais conduit souvent la pix lisation du champ ce qui vient d grader la r solution spatiale Les syst mes micro lentilles fibr es corrigent ce d faut en r arrangeant le champ sur une ligne de points le long de la fente cependant le positionnement des fibres s av re ardu et pas exempt d erreurs ce qui conduit a des distorsions d image et des pertes de 12 lumi re Les syst mes d coupage de champ form s par des empilements de miroirs l g rement tourn s les uns par rapport aux autres r alisent un chantillonnage spatial homog ne et continu mais sont cependant limit s a des sc nes de quelques arcsecondes comccniccccnncoccccnonnnnnanoconano conc nnn rn nana 69 Figure 25 Illustration du fonctionnement d un spectro imageur transform e de Fourier 75 Figure 26 Illustration du sch ma optique de l IFTSUV a vue de face b vue de c t les images h Sont pas a l chelle an tits cetee cunt nn tent ra taa 76 Figure 27 Illustration du profil du filtre trap zo dal r sultant du double passage sur r seau le dessin MESt pas al chell EE 77 Figure 28 Illustration de l int gration du syst me d imagerie form par trois miroirs paraboliques hors axe OAP 1 OAP 2 et OAP 3 Ce syst me est configur de fa on avoir un t lescope afocal en entr e OAP 1 et OAP 2 qui d livre un faisc
88. les photodiodes traditionnelles les photodiodes effet lat ral permettent aussi de mesurer l intensit du faisceau incident qui apparait comme un photo courant que l on peut mesurer transversalement la bande de jonction Ce type de d tecteurs pr sente l avantage de suivre le mouvement du spot avec une r solution sub micronique et une tr s grande lin arit La taille et la forme de la tache ont peu d effet sur la mesure de position ce qui vite de mettre en place des moyens d alignement du plan focal compliqu s Ils ont un rang dynamique lev et pr sentent une tr s bonne lin arit sur la valeur mesur e Le capteur retenu est le mod le OBP A 4L de chez Newport dont les caract ristiques techniques sont d crites dans le Tableau 18 Avec les bons choix du param tre de gain dans la configuration multi r flexions et de la valeur de la focale de la lentille ce d tecteur sera capable de r soudre pr cis ment la valeur d angle souhait e 142 Tableau 18 Caract ristiques techniques du d tecteur de position type photodiode effet lat ral OBP A 4L fabriqu e par Newport Photodiode lateral effect Mod le OBP A 4L Surface active 4x4 mm Resolution lt 1um Plage de puissance d entr e 10 HW 2 5 mW Pr cision 25 um Lin arit 0 05 1 V um Diam tre du faisceau 50 500 um Lx Anode Y1 iyi O Faisceau incident Faisceau incident A0 anode yi
89. lin arit s Des erreurs surviennent dans l interpolation des franges du compteur en raison d erreurs de non lin arit qui peuvent tre de natures diverses Ces effets se traduisent par l apparition de diff rents gains et offsets mesur s sur chacune des deux photodiodes ainsi que par des d calages dans l orthogonalit de la phase des deux signaux en quadrature La r solution des interf rom tres homodynes restera lev e mais sa pr cision peut se voir limit e par ces effets Pour prendre en compte ces ph nom nes l quation 40 devient alors Iy cos AQ Xy 71 I Ay sin Ag Po Yo ou A et A sont les amplitudes de chacun des signaux en volt x et y leurs offsets en volt et py la contribution la distorsion de phase en radian La forme param trique des deux signaux en quadrature circulaire id ale ou A A A Xo Yo 0 et Yo 0 est donc dans la pratique d form e en une ellipse Les valeurs x et y sont les coordonn es du centre de l ellipse A et A les valeurs de ses deux axes et l amp cart de la quadrature py d termine le degr d excentricit voir Figure 66 Les contributions non lin aires de nature optique sont souvent la cause des d calages de la quadrature parfaite des signaux en sortie Ces erreurs sont syst matiques p riodiques avec une p riode tous les mr cycles et ind pendantes de l amplitude et de la vitesse du d placement de la cible Elles sont donc intrins
90. me voir aussi Figure 80 et Figure 82 184 Mesures de pression en monor flexion et sans asservissement PID Mesures de pression en monor flexion et avec asservissement PID 1 0045603 LOOESE403 1 0080603 1 0075E 03 74 1 0070603 Pression mbar H 8 8 rey oy Pression mbar 1 0065 03 1 0060E 03 10015E 03 ss 10055603 gt 18 15 44 19 27 44 20 39 44 21 51 44 23 03 44 0154 1274 23944 18 15 63 19 27 43 20 39 43 21 51 43 23 03 43 0159 173 2398 Date date Mesures de pression en MR sans asservissement PID Mesures de pression en MR et avec aservissement PID 1 036 03 9 968E 02 102603 1 0026 03 5 LOG E 10010 S 100 E 3956 02 9 390E 02 9 985E 02 9 9806 02 H 1 217 9954 02 18 14 00 19 26 00 20 38 00 21 50 00 23 02 00 01400 1 26 00 2 38 00 18 13 59 19 25 59 20 37 59 21 49 59 23 01 59 0 13 59 1 25 59 2 37 59 Date Date 9 956E 02 Figure 82 Mesures de pression prises la station d talonnage pendant les mesures nocturnes de test de stabilit du syst me voir aussi Figure 80 et Figure 81 18 1 2 Etalonnage du syst me en quadrature de phase En suivant la proc dure d alignement d crite dans le paragraphe 17 3 le signal a pu tre optimis sa valeur maximale sur les d tecteurs en quadrature voir Figure 84 L interface Labview de contr le a aussi permis d obtenir les meilleures val
91. me de m trologie est constitu de deux sous syst mes un d flectom tre pour la mesure des d viations angulaires et un interf rom tre de Michelson homodyne pour la connaissance du pas d chantillonnage pendant l acquisition de l interf amp rogramme Un interf rom tre homodyne n cessite deux signaux lectriques ayant une diff rence de phase de 77 2 pour une mesure relative bi directionnelle du d placement Les deux signaux en quadrature sont obtenus en s parant le signal d interf rence en sortie du Michelson dans ses deux composantes de polarisation orthogonales qui sont ensuite envoy s sur deux d tecteurs de type photo d tecteur semi conducteur en Silicium Par analyse de l amplitude analogique mesur e il est possible du faire du comptage d comptage du d placement de la cible qui sera proportionnel en fin de compte a la phase mesur e Ces deux sous syst mes partagent une m me source laser He Ne 632 8 nm qui est collimat e et polaris e lin airement 45 Ils sont align s sur le m me axe optique et agissent sur la face arri re du miroir de balayage M qui afin d atteindre les pr cisions angulaires et lin aires requises est coupl une configuration en multi r flexions avec un miroir de r f rence fixe M Une boucle d asservissement assure le maintien de l alignement et la mesure pr cise du pas d chantillonnage durant la course du miroir IFTSUV Le sch ma optique de principe du syst m
92. niveaux de diaphonie entre les Caract risation de la diaphonie e pi zo actionneurs et le capteur de position du syst me BR D termination des coefficients P D par la m thode Identification du syst me et Ziegler Nichols r glage des param tres PID Mesures long terme de la stabilit du r gulateur Mesures de la diff rence de marche optique pour des diff rents param tres de course TEST DU SYSTEME DE METROLOGIE Budget d erreur 17 5 BUDGET Suite la demande de R amp T R S11 OT 0004 040 un budget de 40 k a t mis en disposition pour la r alisation du banc optique L approvisionnement de la totalit de quipement n cessaire la mise en place de la maquette a pu tre compl t grace aux composants d j existants au sein du service optique de l AS Le r capitulatif des d penses est r sum dans le Tableau 27 180 Tableau 27 Budget d pens dans le banc d monstrateur de m trologie FTSUV COMPOSANT Prix en euros Hors taxes COMPOSANTS OPTIQUES Miroirs 752 Polariseurs et lames de retard 3745 Cubes s parateurs 1308 Isolateur de Faraday ISO 04 650 LP 1600 Photodiodes Si 818 SL 1314 Laser R 30991 1010 Autres 1307 COMPOSANTS MECANIQUES Support r glable tube laser 223 Montures miroirs 447 Montures polariseurs 1216 Iris 64 Syst me rails 1440 Colonnettes 1185
93. nylon calibr s de 0 1 mm de diam tre L ensemble miroir pi zo est ensuite fix sur la platine de translation motoris e PI M 405 CG par une querre de translation r glable La platine de translation motoris e repose elle aussi sur un syst me de r glage form par un goniom tre sensibilit 2 5 une platine de rotation manuelle sensibilit 2 5 pour r gler langle a entre le miroir d chantillonnage et Taxe optique et une platine microm trique de positionnement lin aire le long de la direction x Le miroir de r f rence M est fix une platine de rotation manuelle qui permet de r gler le coin d angle 8 avec une sensibilit de 2 5 et une platine de translation permettant de r gler la position sur la direction x La monture du miroir poss de un r glage des angles tip tilt fin et accessible par des vis de pr cision avec une sensibilit de 2 4 La s paration entre les deux miroirs en configuration de multi r flexion est d environ 20 0 1 mm Figure 73 Syst me de r glage de la configuration en multi r flexion le miroir fixe de r f rence se trouve gauche de l image tandis que le miroir mobile fix la platine de translation par une querre se trouve droite de l image Le miroir fixe de l interf rom tre M est ins r dans une monture r glable par des vis micrometriques sensibilit 2 4 sur les axes x et y Il poss de aussi un r glage fin en translation sur laxe x p
94. p xe 3 57117 x 1011 4 24783 x 107p 19293 9p p MR s p 173412 x 107 712 156p 0 176153p Axe Y yP 407972 x 107 1031 62p p y P Tableau 31 Caract ristiques fr quentielles du syst me repr sent dans la Figure 104 et la Figure 106 R ponse Bande passante Gain Fr quences Facteur fr quentielle Hz DC naturelles Hz d amortissement z 1641 0 125 1983 0 0029 x Axe X 1368 0 0348 T 896 0 0542 S 1182 0 101 2362 0 0191 5 AxeY 1125 0 0432 1072 1 0000 z 1808 0 427 1760 0 0149 O x Axe X 1346 0 0255 T 905 0 3135 1524 0 425 2327 0 0315 AxeY 1133 0 0747 Les graphiques sur la Figure 107 montrent la r amp ponse de l actuateur sur chacun de ses axes pour un saut indiciel de 0 7 V La fr quence d chantillonnage est de 5 kHz Un mod le ARX Auto Regresive model with eXternal inputs a t utilis pour l identification car c est le mod le le plus simple et efficace permettant d int grer le signal et le stimulus et qu il est bien adapt lorsque l on traite un syst me d ordre potentiellement lev Une premi re estimation param trique est repr sent e dans la Figure 108 et la Figure 109 Les caract ristiques temporelles sont r sum es dans le Tableau 32 203 Tableau 32 Caract ristiques temporelles du syst me obtenues partir de la mod lisation de la r ponse indicielle du syst me Temps de Temps de D passem
95. par convention 0 80 Strehl L A Strehl 0 80 Airy Le rapport de Strehl est une mesure de l excellence optique sur le rendement th orique plut t que l expression de la qualit de surface ou la forme du front d onde II s agit de l expression la plus significative des effets des aberrations sur la qualit de l image 79 5 2 3 Format du d tecteur Le champ et la r solution spatiale seront accord s avec le format du d tecteur La taille du pixel sera accord e aux dimensions de la tache image Si on veut que l nergie contenue dans le pic central de la tache d Air un aa soit pour des raisons d chantillonnage et d viter les effets d aliasing confin e dans deux pixels du d tecteur le diam tre d d un pixel l mentaire doit tre de dpx Gap 1 224 x F 6 5 3 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT 5 3 1 R ponse spectrale de l instrument On d finit K o comme la constante de l instrument qui combine les diff rentes r ponses spectrales l ouverture et le champ de vue de l instrument pour calculer le signal S ph s 1 px 1 cm mesur sur le d tecteur S hs Lpx temo K o XB ph s Lem 2 sr tem 7 K o Ae X Ro X Ty X QE x q 8 o A est la surface de la pupille d entr e en cm A nr R l efficacit des optiques To est la transmission du filtre trap zoidal tel qu il a t d fini dans la section QE est l efficacite quantique pour un d tecteur UV standard
96. premi re couche ou basse atmosph re du Soleil Elle poss de une temp rature moyenne de 5 700 K et met principalement dans le visible De ce fait et contrairement aux observations dans UV rayonnement qui est compl tement absorb par notre atmosph re la photosph re a pu tre sond e depuis l invention des premiers t lescopes Elle a une apparence irr guli re sous forme de cellules granul es de l ordre de 100 1000 km de surface voir Figure 2 La spectroscopie et l imagerie en combinaison aux nouvelles techniques en h liosismologie ont montr que ce r seau est anim par la turbulence de la zone de convection Elle est caract ris e par des cellules de plasma chaud ascendant entour d un plasma froid descendant Le bouillonnement de ces granules agite la photosph re en permanence avec une p riode d oscillation de l ordre de 5 minutes se propageant sous forme d ondes acoustiques le long et large du disque solaire voir Figure 2 A la granulation se superpose la supergranulation de l ordre de 30 000 km de diam tre et la m sogranulation qui a une chelle interm diaire entre la granulation et la super granulation Cette activit donne naissance des gerbes de spicules issues des interstices des cellules supergranulaires Les structures les plus repr sentatives dans la photosph re sont cependant les taches solaires des r gions localement plus froides T 3 700 4 000 K abritant un champ magn tique intense
97. produit lorsque le point de mesure r el est d cal par rapport a l emplacement du point de mesure souhait et que des mouvements angulaires non d sir s se produisent lors du d placement du miroir voir Figure 69 Si h est la distance entre l axe de la cible mesurer et l axe de mesure l inexactitude du d placement mesur sera Ae hand be Sho 81 Les erreurs d Abbe sont insidieuses car elles peuvent tre de nature syst matique ou pas et peuvent interpr t es inexactement comme des turbulences ou des erreurs p riodiques issues du comptage de franges Elles sont g n ralement li es aux qualit s m caniques de la platine de translation et son choix devient critique si on veut les minimiser Id alement ce composant doit assurer un d placement homogene sans jeux ni frictions L alternative et 155 c est le but de ces tudes est d asservir langle du miroir pour corriger ces d viations voir paragraphes 12 3 et section 14 La tol rance de 2 5 urads sur la stabilit d angle implique une erreur d Abbe de 2 5 nm pour une longueur de bras de levier de 7 mm Axe du d placement D placement x Figure 68 Illustration du principe de l erreur en cosinus quand il existe un d salignement entre les axes optiques et m caniques la distance mesur e sera toujours inf rieure a la distance r elle parcourue L erreur est proportionnelle l angle de d salignement distance r elle x Axe de translation
98. qui persiste Ce d faut est pr sent tous les tours de vis du moteur sp cifi 0 5 mm par le fabriquant En ce qui concerne les r p tabilit s on observe aussi une l g re am lioration car les valeurs passent tre de 150 nm P V et environ 16 nm rms pour la configuration en mono r flexion et 100 nm P V environ 8 nm rms dans la configuration en multi r flexion voir Figure 125 Tout comme dans le cas sans asservissement le retour la position initiale du miroir semble tre moins bruit avec une r p tabilit de l ordre de 4 nm rms Une fois que les donn es brutes ont t trait es et ajust es selon la proc dure d crite dans le paragraphe 18 1 3 on peut proc der aux calculs d estimation de la diff rence de marche Tout comme pour le paragraphe 18 1 2 Les r sultats de l analyse effectu e sur l ensemble 222 des tests sont r sum s dans le Tableau 35 De mani re g n rale on pourra dire que les non lin arit s dues aux offsets sont am lior es par rapport au syst me non asservi Les autres effets syst matiques restent inchang s En particulier les pentes observ es sur les amplitudes en multi r flexion n ont pas pu tre compens es ce qui exclut l effet d un d salignement angulaire comme cause de cette d gradation L efficacit de la surface sur les bords des miroirs se retrouve peut tre l origine de cet erreur car en multi r flexion la surface de miroir est balay e horizontal
99. qui r alise la conjugaison entre la sc ne et le d tecteur perpendiculairement aux franges d interf rence 122 ACTON 122N Trammhsdon Mel ist brida inm 100 80 60 40 TRANSMITTANCE PERCENT 20 100 200 ACTON 122XN lambda deri TRANSMISSION OF UN BACKED ALUMINUM FILMS TOMBOULIAN AND BEDO 1000A ASTOIN AND VODAR WALKER RUSTGI AND WEISSLER 1150A TRANSMISSION LIMIT 300 400 500 600 WAVELENGTH A Figure 53 En haut courbes de transmissions des filtres ACTON 122N transmission 21 Bande passante 50 nm et ACTON 122XN transmission 6 5 Bande passante 15 nm En bas transmission des filtres grille d aluminium source Tousey 1963 123 11 CONCLUSIONS 11 1 QUALITE DE L IMAGE Suite une premi re optimisation ZEMAX le systeme FTSUV en soi m me v rifie tous les crit res de qualit d image Comme vu en section O les effets de la diffraction du syst me optique ne sont pas critiques la longueur d onde tudi e La d gradation de l image sera donc domin e par les effets des aberrations g om triques On va d finir deux sortes d aberrations e aberrations intrins ques qui r sultent des d fauts de fabrication tels que coniques rayons de courbures qualit de surface e aberrations extrins ques qui sont induites par des erreurs d alignement de d formations de surfaces cause des variations thermiques des v
100. r seau diffraction sont La p riode Aussi nomm e pas qui est la distance entre deux traits ou motifs cons cutifs a en mm Le nombre de traits par mm Cette grandeur repr sente l inverse de la p riode par unit de longueur de r seau illumin t en traits mm L ordre de diffraction C est un nombre entier m de difference de marche optique qui satisfait la condition de diffraction de Bragg qui donne lieu des pics d interf rence constructive voir relation 109 Quand l ordre augmente les pics sont de moins en moins lumineux le maximum tant obtenu pour l ordre z ro sans int r t car le pouvoir dispersif est nul dans cet ordre Le rapport d aspect On d finit le rapport d aspect comme tant le rapport entre la p riode sur la hauteur ou profondeur h du pas a h Le substrat des r seaux C est sa qualit de surface qui est donn e comme la qualit de surface des r seaux Le choix du mat riel est d termin par le domaine spectral et les besoins en termes de polissage Les techniques actuelles permettent d obtenir des rugosit s lt 0 3 nm rms sur des substrats en Silice ZERODUR commun ment utilis s dans le domaine VUV et pour des applications spatiales Le profil Les motifs p riodiques d un r seau peuvent tre vari s ll existe trois principaux types de gravure sinuso dale triangulaire et carr e ou laminaire Les propri t s du profil de gravure des r seaux d terminent e
101. raies d mission de l Hydrogene Figure 11 L mission alpha de la s rie Lyman de Hydrog ne est issue de la transition du niveau d excitation n 2 vers le niveau fondamental n 1 1S 2 Zu 2P3 de l atome Elle donne naissance l mission d un photon d une nergie de 10 2 eV a une longueur d onde de A 121 567 nm C est une raie de r sonance dont les niveaux sont tr s peupl s ce qui en fait une raie fort pouvoir d absorption et d mission Etant donn que l Hydrogene est l l ment le plus abondant dans le Soleil il s agit de l mission la plus importante jusqu deux ordres de magnitude plus importante dans son spectre UV voir Figure 18 Ceci constitue un autre avantage du point de vue observationnel car un plus grand nombre de photons collect s implique une augmentation du rapport signal sur bruit de l instrument L tude de l mission Lyman alpha constitue un outil exceptionnel pour comprendre le couplage entre la chromosph re et la basse couronne en passant par la r gion de transition Vial 2006 14 Ionization limit of atomic hydrogen 13 595 ev D 12 10 Ha HB Hy H6 656 3 nm486 1 nm434 0 nm410 2 nm Balmer series Energy eV Ke A D un g 3 gt E wi gt i o gt o N E o Ly 102 57 nm Figure 11 Diagramme des niveaux d nergie des diff rentes s ries d ionisation Lyman dans l UV et Balmer dans le visible de l atome d Hydrog
102. reflexion avec asservissement 0 02 0 02 r a 0 01 0 00 2 0 01 0 02 de A L A A a A 4 a r a L A A 2 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm Figure 126 Evolution des offsets xo yo mesur s et calcul s pendant une course nominale en multi r flexion et avec asservissement 228 Amplitude Ax mono reflexion avec asservissement Amplitude Ax mono reflexion avec asservissement 1 44 1 43 3 1 42 z 141 1 40 1 39 1 39 o 5 0x10 1 0x 10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm so T T T 40 2 2 E 30 5 S 20 8 10 WE 1 41 1 42 1 43 1 39 1 40 1 41 1 42 Ax U A Ax U A Amplitude Ay mono reflexion avec asservissement Amplitude Ay mono reflexion avec asservissement 1 44 1 44 T T T 1 43 1 43 3 1 42 3 142 z 141 Zia 1 40 1 40 1 1 deer 5 0x10 1 0x10 1 5x10 199 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm g 5 8 Ay U A Figure 127 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en mono r flexion et avec asservissement Amplitude Ax multi reflexion avec asservissement Amplitude Ax multi reflexion avec asservissement 1 55 1 55 1 50 1 50 3 1 45 3 1 45 Ed 140 140 135 1 35 1 30 1 30 o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm 8 6 g E 8 Ba 2 o 135 1 40 1 45 1 50 1 35 1 40 145 1 50 Ax U A Ax U A Amplitude A
103. reflexion sans asservissement 7 1 55 1 50 Z 145 2 2 3140 3 1 35 E 1 30 o 5 0x10 1 0x10 15x10 1 5x10 10x10 5 0x10 0 OPD nm OPD nm 8 10 6 en 8 2 y 2 Za SS a Ea 2 2 o o j f 1 40 1 45 1 50 Ay U A Ay U A Figure 91 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en multi r flexion et sans asservissement 191 Phase residuelle pO mono reflexion sans asservissement Phase residuelle pO mono reflexion sans asservissement p0 degres 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm 0 counts Harry arar 0 000 0 025 0 020 0 005 0 015 0 010 0 005 0 015 pO degres pO degres Phase residuelle pO multi reflexion sans asservissement Phase residuelle pO multi reflexion sans asservissement pO degres p0 degres o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 OPD nm OPD nm ALU LU dido e DS Ke 0 020 0 015 pO degres pO degres Figure 92 Evolution de la phase r siduelle po mesur e et calcul e pendant une course nominale sans asservissement En haut mesures de la configuration en mono r flexion En bas mesures de la configuration en multi r flexion 18 2 ETALONNAGE ET TEST DU SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE 18 2 1 Etalonnage du syst me de pointage Le d tecteur de position OBP 4 L qui servit au d monstrateur d
104. rite permettant de d finir l ISL en fonction du parcours optique du faisceau dans le syst me Cette fonction permet de r gler le parcours optique du faisceau entre R1 et R2 la valeur souhait e en optimisant les distances lat rales entre les r seaux et les miroirs La valeur r sultante du diam tre en entr e pour les valeurs du champ et de magnification annonc es est apr s optimisation cf section 8 2 1 et Figure 34 de d 11 2 mm Le meilleur compromis entre ISL et encombrement de l instrument a t trouv pour les valeurs ISL 4 6 nm et S 1500 mm La valeur de S est plus lev e par rapport aux pr dictions de l quation 3 cela est d au fait que cette relation ne tient pas compte de la dispersion pour les diff rents points dans le champ de vue tudi Le vignettage du faisceau par diminution des dimensions des optiques aurait pu tre une solution pour r duire cette valeur Ce choix aurait cependant introduit une modulation du signal pendant la course d chantillonnage du miroir effet non d sir du point de vue talonnage et traitement de donn es L ensemble des param tres d finissant les caract ristiques optiques de I FTSUV est r sum dans le Tableau 4 Sans tenir compte des composants de tenue m canique le volume du bloc FTSUV peut tre contenu dans une enveloppe de 405 x 395 x 197 mm voir Figure 33 92 Tableau 4 Ensemble des param tres qui d finissent les optiques du bloc FTSUV form
105. rogramme en forme de sinuso de Dans le cas d une source polychromatique de distribution spectrale d intensit B o l interf rogramme mesur est alors la somme des interf rogrammes r sultant de chacune de ces ondes l mentaires soit de la forme I x Uso cos 2rtox do 1 0 o a cm est le nombre d onde du rayonnement donn par a cm V u v Hz tant sa fr quence c m s la vitesse de la lumi re et A sa longueur d onde en nm Le 74 spectre du signal B o est obtenu en faisant la transform e de Fourier inverse TF de Pinterf rogramme B o Po cos 2rox dx 2 Pour l utilisation de ce spectrom tre en mode spectrom tre imageur un syst me afocal est plac en entr e afin de mettre en forme le faisceau dans le bloc interf rom trique une parabole hors axe de focalisation est plac e en sortie devant le d tecteur bi dimensionnel Figure 26 de fa on ce que chaque pixel l mentaire de la sc ne observ e g n re un interf rogramme A chaque pas du d placement du miroir de l interf rom tre une image deux dimensions est obtenue A la fin du balayage de la ddm on obtient un cube d images 2D la troisi me dimension du cube tant la diff rence de marche optique Si on consid re une section de dimension un pixel du cube on obtient l interferogramme pour cet l ment spatial En appliquant la TF inverse cet interf rogramme on obtient alors le spectre de la lumi re provenant
106. seau RT est diffract dans les ordres 7 de fa on former les deux bras de l interf rom tre pour tre ensuite recombin s en sortie par le deuxi me r seau R2 La modulation des franges d interf rence est maximale lorsque les ondes qui interf rent sont exactement de m me amplitude Les amplitudes des faisceaux form s a partir de cette incidence normale sur des r seaux travaillant dans les ordres 7 ne seront gales que si les efficacit s de ces ordres sont identiques De m me la diff rence entre les nombres de traits par millim tre entre les deux r seaux introduit une mauvaise recombinaison en sortie et il s agit par cons quent d une nouvelle source de d formation du front d onde Des r seaux holographiques issus du m me lot assurent un nombre de traits par millim tre et une qualit de surface identique Millard 2005 Loewen et al 1978 McCandliss et al 2001 En ce qui concerne les efficacit s compar es dans les ordres 7 la valeur est de l ordre de 3 l efficacit de modulation se trouve donc multipli e dans le pire des cas par 0 97 8 3 2 Bruit 8 3 2 1 Bruit de photons Le bruit de photons d pend de la source lumineuse observ e c est un bruit statistique dont la valeur moyenne est proportionnelle la racine carr e du nombre total de photons qui seront transform s en photo lectrons une fois arriv s au d tecteur On peut exprimer le signal sur bruit dans le spectre comme So ph s
107. sont aussi montr es les diff rentes parties du profil de la raie Lyman alpha sont form es a des altitudes sp cifiques 57 Figure 13 Cette image montre un des premiers profils Lyman alpha obtenus pour une p riode de grande activit 21 Juillet 1959 R Tousey et une p riode de Soleil calme 22 Ao t 1962 R Tousey La photographie montre les diff rentes positions relatives de la fente sur le Soleil pendant l exposition Ceci rend possible de corr ler les profils avec les diff rentes r gions d activit du Soleil Les valeurs de la temp rature lectronique ont t obtenues en utilisant la th orie de Jefferies et Thomas 58 Figure 14 A gauche mesure de l irradiance solaire VUV en fonction de la longueur d onde l mission Lyman alpha est la plus intense du spectre et contribue fortement aux pertes radiatives du Soleil A droite mesure des variations d irradiance de l mission Lyman alpha du Soleil entre l ann e 1947 et jusqu l ann e 2000 source G Kockarts 2002 le cycle d activit solaire est clairement mis en vidence travers ces mesures 58 Figure 15 A cartographie de la radiance spectrale Lyman alpha mesur e par SUMMER SoHO sur une r gion de Soleil calme de 150 x120 B cartographie de la profondeur des profils Lyman alpha tudi e sur les zones d embrillancement maximum de la figure A repr sent es par les contours blancs C position des profils Lyman alpha en roug
108. sp cifique D norm e a la surface du d tecteur A m et la bande passante Af s ges Jl nie NEEN Gel Il s agit donc de la valeur inverse du NEP W Noise Equivalent Power qui est la puissance optique incidente sur le d tecteur correspondante a un rapport de bruit dans le circuit lectronique de 7 110 La bande passante efficace du bruit Af est gale a la fr quence de Nyquist d chantillonnage N Af fuy z Fechantillonnage Ze o N est le nombre de pas d chantillonnage et t s la cadence de mesure soit Af 110 Hz Le spectre mesur est donc influenc par la sensibilit spectrale du capteur Le bruit de lecture d un capteur type sCMOS Fairchild est pr conis d tre inf rieur a 2e rms 8 3 2 5 Bruit lectronique L lectronique en sortie du d tecteur contribue galement au bruit Il provient de l tage d entr e du pr amplificateur et peut tre caract ris par une densit spectrale de puissance de bruit Namp soumise la borne de sortie du d tecteur Il contribue au bruit rms dans l interferogramme de la fa on suivante Ox amp amp yAf Namp vee 29 8 3 2 6 Bruit Alias Lorsque la transform e de Fourier d un signal est effectu e seul les composants de fr quence en dessous de la limite Nyquist sont fid lement conserv s Tout composant du signal au del de la fr quence Nyquist sera repli dans la bande passante et le bruit sur le signa
109. taire source NASA coociccccnnncccconocccnnancccnanancnnnna 38 Figure 2 En haut gauche groupe de taches entour par des cellules de granulation convectives visibles la surface du Soleil et observ gr ce au t lescope terrestre Swedish 1 meter Solar Telescope depuis La Palma les Canaries En haut droite magn togramme indiquant les polarit s des r gions magn tiques des groupes de taches solaires les zones noires repr sentent des r gions o le champ magn tique s loigne de l observateur polarit n gative dans les r gions blanches les lignes de champ magn tique pointent vers l observateur polarit positive Les zones grises correspondent des r gions sans champ magn tique d tectable par l instrument source ESA NASA Instrument MDI SOhO En bas l image du haut est un diagramme de papillon montrant la variation de la latitude d apparition des taches solaires entre les ann es 1870 et 2010 pour les deux h misph res solaires L image du bas montre l volution temporelle du nombre de taches pendant la m me p riode On peut constater que l volution des taches d pend du cycle d activit solaire eier EE A0 Figure 3 A gauche image du Soleil en Ha de la chromosph re source T lescope de l observatoire de Meudon les filaments apparaissent comme des r gions sombres tir es sur la surface solaire les r gions brillantes entourant les taches photosph riques encore visibles depuis la chrom
110. temps r el afin pour contr ler leur alignement et talonnage Cette interface permet aussi de contr ler les param tres caract ristiques de la course Une am lioration du contraste du signal a pu tre obtenue suite une proc dure GE He nu 188 Figure 85 Capture d cran des deux signaux en quadrature obtenus suite au r glage fin de l orientation de la lame quart d onde et des deux polariseurs en sortie de Michelson homodyne 188 Figure 86 A gauche exemple d acquisition du signal d interf rence PDx en volts et en fonction du temps en secondes pour le syst me en mono r flexion et MR avec 2N 4 On retrouve bien un rapport de quatre entre le nombre de p riodes en configuration de mono r flexion et le nombre de p riodes en multi reflexion u u een een ern ann 189 Figure 87 A gauche signaux en quadrature mesur s pendant la course nominale ddm 1 83093 mm v 0 183093 mm s 1 en noir mesure en mode classique en gris mesure en multi r flexion avec 2N 4 A droite signaux apr s r duction des donn es cf relation 100 189 Figure 88 Evolution des offsets x0 yO mesur s et calcul s pendant une course nominale en mono r flexion et SANS asservissement sisi 190 Figure 89 Evolution des offsets x0 yO mesur s et calcul s pendant une course nominale en multi r flexion et sans asservissement sise 190 Figure 90 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul
111. une r ponse soit impulsionnelle soit indicielle La premi re m thode concerne une excitation du syst me en boucle ouverte sous forme de delta de Dirac et sa synth se ne peut se faire que de forme approch e R Hanus 2007 L analyse indicielle implique l utilisation d un stimulus sous forme d chelon d Heaviside et permet de pr dire la r ponse forc e une excitation quelconque Les param tres et sp cifications en termes temporels concernent les niveaux d att nuation de l erreur temps de mont e les temps propres et le gain statique En dehors des syst mes de premier et deuxi me ordre purs l analyse peut s av rer complexe L analyse fr quentielle quant elle donne une vision globale du comportement du syst me dynamique Martinez Molina J J et al 2011 car elle permet de conna tre la r ponse du syst me une excitation contenant diff rentes fr quences La transform e de Fourier de la fonction de transfert exprime la r ponse fr quentielle du syst me en fonction du spectre en entr e Les valeurs du module et de l argument du spectre en sortie deviennent alors ISGw TGw UGa 54 arglS w arg TGw arg UGw La r ponse harmonique du systeme peut tre alors visualis e et analys e sous la forme des repr sentations de Bode ou de Nyquist Une fois que l on a acc s ces donn es brutes l identification du systeme s accomplit par une mod lisation algorithmique Les estimations les plu
112. voir Figure 65 l Annulation de l erreur Action lente ralentit et d stabilise le statique syst me D Action tr s dynamique Sensible aux bruits et forte sollicitation de am liore la rapidit l organe de commande 1 4 _ mg TE TT D passement 12 4 4 Consign Erreur statique 0 8 4 63 e 06 Temps de mont 0 4 J gt l 02 Temps d tablissement du r gime stationnaire 0 4 1 L L 0 5 10 15 20 25 Temps s Figure 65 Les param tres d un r gulateur sont synth tis s afin de r pondre au cahier des charges du proc d qui est souvent exprim en fonction de la rapidit temps de mont e et temps d tablissement du r gime stationnaire et la pr cision d passement et erreur statique avec lesquelles la consigne peut tre suivie La robustesse ou adaptabilit du r gulateur face aux changements de dynamique du proc d est un param tre aussi important et la stabilit une caract ristique indispensable source wikip dia 148 15 LIMITATIONS DES PERFORMANCES DU DEMONSTRATEUR 15 1 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE 15 1 1 Effets environnementaux Les effets des variations des param tres environnementaux sont souvent des contributeurs majeurs au budget d erreur car ils modifient la distance apparente du chemin optique La difference de marche optique d pend de tout effet de variation de la valeur de la longueur d onde du laser de r f rence cette derni re tant tres sensible aux changeme
113. 0 121 55 121 60 121 65 Longueur d onde nm Figure 42 R sultats des simulations du spectre sur le bord du champ 125 de l axe on observe un d calage de 0 05 nm du centre de la raie spectrale 103 MODULATION DES FRANGES A LA DIFFERENCE DE MARCHE MAXIMALE Diam tre de la pupille 640 mm Diam tre du faisceau 15 mm Longueur d onde 121 567 nm OPD 0 1833mm R solution angulaire 1 5 px 0 50 100 150 200 Champ de vue arcsecs Figure 43 Modulation du signal en fonction du champ de vue pour observer des effets importants on a d augmenter le diam tre l entr e D 640 mm Maillard et al 2013 8 3 1 7 Alignement interf rom trique Si on consid re des surfaces optiques circulaires et un angle de d viation y lt lt on peut crire la contribution de l alignement interferometrique l efficacit de modulation M A de la fa on suivante Hearn 1999 2Tyr M y 2 a 22 ou J est une fonction de Bessel d ordre 1 et r est le rayon des optiques du syst me que l on peut dans une premi re approximation consid rer comme tant le rayon du faisceau collimat l entr e de l interf rom tre r d 2 La Figure 44 montre les pertes de modulation en fonction de l angle entre les surfaces pour des faisceaux d un diam tre utile d 5 10 15 20 25 mm Les courbes montrent que pour avoir une efficacit de modulation 85 correcte les faisceaux doivent t
114. 0 3 T dont l origine exacte n est pas encore claire Chaque tache comporte deux r gions une zone centrale appel e l ombre et une zone p riph rique ou p nombre Leur diam tre varie de 5000 50 000 km Le champ magn tique est plus intense et plus vertical dans l ombre des taches et moins intense et presque enti rement horizontal dans la p nombre Les parties qui bordent les taches sont appel es facules photosph riques ayant une temp rature d environ 6 000 K Les premi res observations de taches ont permis de d duire l existence de la rotation diff rentielle ainsi que du cycle d activit du Soleil Les taches solaires sont des structures de nature transitoire leur nombre leur taille et leurs coordonn es sont intimement li es l activit du Soleil voir Figure 2 Elles apparaissent au d but d un cycle magn tique des latitudes Nord Sud lev es o convergent les lignes de champ plus intenses Le nombre de taches mergentes dans la photosph re passe par un maximum tous les 11 ans environ puis diminue en se d pla ant vers l quateur au cours de l volution d un cycle complet Cette dynamique s accompagne d une inversion de polarisation magn tique des taches et du Soleil entre deux cycles successifs mais aussi par de nombreuses manifestations dans les couches sup rieures de l atmosph re de notre toile Les taches solaires se pr sentent sous 39 forme d archipels groupes de taches ou a
115. 02 0 01 0 01 000 Soo a 0 01 0 01 L L L Kee 5 0x10 1 0x10 1 5x10 002 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm E TT 150 F 2 10 7 ES 3 E 50 Sor 2 0 010 0 010 LA 0 010 yo V Figure 89 Evolution des offsets xo yo mesur s et calcul s pendant une course nominale en multi r flexion et sans asservissement 190 Amplitude Ax mono reflexion sans asservissement Amplitude Ax mono reflexion sans asservissement 1 44 T T 1 44 143 142 2 2141 1 40 Ax UA 1 1 0x10 1 5x10 ES OPD nm o m o xp a counts 1 415 1 420 Ax U A Ax U A Amplitude Ay mono reflexion sans asservissement Amplitude Ay mono reflexion sans asservissement 1 44 T T T 1 43 142 2 Z 141 1 40 1 39 1 39 o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm 1 400 E 1 395 1 400 1 405 1 410 1 415 Ay U A Ay U A Figure 90 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en mono r flexion et sans asservissement Amplitude Ax multi reflexion sans asservissement Amplitude Ax multi reflexion sans asservissement 155 1 55 T 1 50 1 50 Z 145 SN 2 3 145 Z 140 140 135 135 1 30 1 1 0x10 19 10x10 OPD nm OPD nm k 135 1 40 1 45 Ax UA Ax U A Amplitude Ay multi reflexion sans asservissement Amplitude Ay multi
116. 2 222 22 setvecsize n FOR i 0 n 1 variables de simulation de gaussienne cos 0 sin 0 Pmoy 0 SETCONFIG 2 variation de la position du bras mobile THIC 34 0 5 ddm 2 i dx 0 001 cosn update RAYTRACE 0 0 0 0 1 opdi opth ns opd opd2 opdi sauvegarde en fichier de sortie output C Users claudia Desktop ZEMAX NUEVO resultados macro IFTSUV txt append vec1 i cosi 2 pi opd 0 1 10000 wavl 1 sine 2 pi opd 0 1 10000 wavl 1 next Figure 46 Extrait simplifi d une macro d enregistrement d un interf rogramme sym trique Moyennant une boucle FOR on peut faire varier de dx la position du miroir mobile pour chaque it ration de i 0 N N est le nombre d chantillons dans la configuration Un trac de rayons se fait pour chaque it ration d placement du bras mobile La variable opd2 stocke le chemin optique parcouru par le bras fixe tandis que opd7 enregistre le chemin optique du bras mobile pour chaque it ration opd crit la diff rence de chemin optique pour chaque pas vec1 i calcule et enregistre l intensit pour chaque ddm D r 087 Amplitude U A 121 50 121 55 121 60 121 65 Longueur d onde nm Figure 47 Spectre synth tique Ly a de r f rence simul partir du trac de rayons dans ZEMAX et du traitement FFT dans DL 109 Spectre en fonction de l erreur sur le pas d chantillonnage LE 77 TT 3 S e S lt 1 1 0 0 8
117. 20 Effets des variations de temp rature pression humidit et CO dans les variations d index de r fraction de l air pour des conditions standards de laboratoire soit T 20 P 0 01 mbar et une humidit de DO vcs ccicessecessessnnchevanagennsacesioessstaulaseasesathaadeeassdstsdadesseasdahhesseeudanaieagessutetannas 151 22 Tableau 21 Caract ristiques techniques des deux d tecteurs en quadrature de phase 154 Tableau 22 Cahier des charges et des sp cifications techniques du d monstrateur du syst me de A E E a a aa a a E E E E 167 Tableau 23 Caract ristiques techniques de chacun des deux modules de contr le analogique PID ll EEEE EE rs o EE N 168 Tableau 24 Caract ristiques techniques de la platine de translation PI 405 CG du miroir d chanillonnage Mic costa ER R TOE 168 Tableau 25 Caract ristiques techniques de la source laser He Ne de r f rence 168 Tableau 26 R sum du plan de test du de monstrateur nnns 180 Tableau 27 Budget d pens dans le banc d monstrateur de m trologie IFTSUV 181 Tableau 28 Moyennes et d viations standard calcul es pour les param tres Xo Yo Ax Ay et py de l ellipse pendant une course nominale en mono r flexion et multi r flexion sans asservissement 1 valeurs des param tres mesur s dans le sens positif de la course 2 valeurs des param tres mesur s dans le sens n gatif de la course Les valeurs ont t calcul es
118. 2N 4 non asservi figure du haut et asservi figure du bas La plage de mesure s tend sur 8h 8 Mesures de temp rature et humidit relative en monor flexion et Mesures de temp rature et humidit relative en monor flexion et ner ce sent PR 203 sans asservissement PID 67 209 8 207 65 20 5 63 Z 63 E 23 Les pag 2 201 2 og 2 Temp rature ra Ez 5 159 Temp rature g A Hunter 57 b Humidit reste 1 57 3 8 197 2 g 197 L ong BEE ra 225 155 193 he 193 19 51 191 51 189 7 7 7 gt 49 183 T T T T T 4 18 15 44 19 27 44 20 39 44 21 51 44 23 03 44 0 15 44 1 27 44 2 39 44 18 15 43 19 27 43 20 39 43 21 51 43 23 03 43 0154 1 27 43 23943 Date date Mesures de temp rature humidite relative en MR etsans Mesures de temp rature et humidit relative en MR avec 209 asservissement PID e asservissement PID 27 in kb _ 25 as VR H Zeg 2 203 as g eg ae p 201 5 a 2 E 2 59 E 201 a 5 25 AT ae Temp rature 9 R Be emp rare e E Y 197 Humidieralarie 57 2 gs5 mirra E 5 195 E 193 Sz E 493 WEE IA nn nn SI 19 1 eege A 1 ER 183 T r 3 183 1 4 18 14 00 19 26 00 20 38 00 21 50 00 23 02 00 0 14 00 1 26 00 2 38 00 18 13 59 19 25 59 20 37 59 21 49 59 23 01 59 0 13 59 1 25 59 2 37 59 Date Date Figure 81 Mesures de temp rature absolue et humidit relative prises la station d talonnage pendant les mesures nocturnes de test de stabilit du syst
119. 3 OBF 4 L Mesure horizontale CARACTERISATION DU ACTUATEURS PZT Ae 3 SYSTEME EN BOUCLE OUVERTE L 330 L E a x Alimentation PDj gt en 3 E TI ASV SYSTEME DE DETECTION gt z ECHANTILLONNAGE FILTRAGE ET x DOES AU PE a DE QUADRATURE DE PHASE SYNCHRONISATION DU SIGNAL Fc Ge Sy Pst POY Oy 1 U BCS Sx Sy PSDx PSDy meetin geg 2x photodiodes 818 5L Pod I E ele ee ee CONTROLEUR MOTEUR DC S PLATINE DE TRANSLATION Did Mercury M Pp M 405 CG Figure 77 Diagramme d interfaces lectroniques de test permettant de r aliser l ensemble des tests de caract risation du banc INPUT DETECTION PC INTERFACE DE CONTROLE OUTPUT CONTROLE Alimentation PD TTI 1 5V SYSTEME DE DETECTION PDI ECHANTILLONNAGE FILTRAGE 3 d A O DE QUADRATURE DE PHASE ZC ET SYNCHRONISATION DU SIGNAL E DONNEES BRUTES A ANALYSER be lt Po Sx Sy et signal d erreur 5x Sy signal d erreur 2x photodiodes 818 SL Gen Algortirene 40 correct 00 pren gt o E CONTROLEUR MOTEUR DC N PLATINE DE TRANSLATION Ca P1 Mercury Y M 405 C6 H ke A En Alimentation Li Secteur Mesure verticme Chex O DIODE LATERAL EFFECT Mesure horizontale MODULES SIM 960 ACTUATEURS PZT OBP 4 L Masse Boucle PID CH SL 330 Figure 78 Diagramme d interfaces de contr le du d monstrateur deux modules analogiques PID Sim 960 permettent de fermer la boucle de contr le PID 17 4 3 Syst me de contr le et
120. 512 pixels Type de d tecteur Mod le sCMOS Fairchild Taux d acquisition 440 images s Efficacit quantique 15 Param tres des optiques Paraboles hors axe OAP 1 OAP 2 OAP 3 Efficacit 85 Substrat Z rodur Qualit des surfaces A 52 rms Rev tements Al MgF gt Epaisseur TBD Miroirs de repli M M AM An Efficacit 85 Substrat Silice Qualit des surfaces A52 rms Rev tements Al MgF gt Epaisseurs TBD R seaux de diffraction Efficacit 25 Substrat Silice Nombre de traits 3 600 traits mm Erreur de p riodicit TBD Ordres de diffraction 1 Fabrication Holographique m me lot Profil Lamellaire Profondeur du pas TBD Qualit des surfaces A52 rms Rev tements Al MgF gt Epaisseurs TBD Param tres de spectroscopie Longueur d onde centrale A 121 567 nm Bande passante SL 3113 74 cm R solution spectrale 6A 0 005 nm Pouvoir de r solution A 24000 Param tres d chantillonnage Nombre de pas N 2222 Taille du pas d chantillonage dx 824 nm OPD 1 830 928 um Fr quence d chantillonnage 222 Hz Type d chantillonnage Sym trique Rapport Signal sur bruit SNR 11 20 114 9 3 CAHIER DES CHARGES DE LA MISSION C est la plateforme qui d finit les ressources allou es l instrument L encombrement la masse et la puissance sont des param tres qui devront tre optimis s pour tre conformes au cahier des charges du satellite Une premi re estimation de l enveloppe contenan
121. 8 2 1 207 0 018 0 016 0 014 0 012 D 8 0 a Amplitude V o 0 006 0 004 0 002 Amplitude V 0 004 0 006 0 008 Mod le de r ponse indicielle Axe X monor flexion Stimulus monoreflexion Reponse monoreflexion Mod le FRF Mod le ARX o 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 Temps s Erreur du mod le de r ponse indicielle Axe X monor flexion 1 10 002 Y ys D I 0 012 arr dE LUE Re TT D eg ts Out u st Ich rf S te o E Mod le FRF D Mod le ARX l Temps s Mod le de r ponse indicielle Axe X multir flexion 0 07 0 06 0 05 0 04 Amplitude V 0 03 4 Stimulus multir flexion R ponse multir flexion 0 02 4 Mod le FRF 0 01 Mod le ARX 0 00 t r 0 000 0 002 0 004 0 006 0 008 0 010 0 012 Temps s Erreur du mod le de r ponse indicielle Axe X 0 025 multir flexion 0 02 0 015 0 01 0 005 0 006 0 01 0 012 0 005 Amplitude V o U DU t H t A 0 01 T d Mod le FRF 0 015 mn Mod le ARX 0 02 e 0 025 Temps s Figure 107 Mod lisation de l axe X du pi zo actuateur En haut comparaison entre les mod les de r ponse indicielle obtenus par identification FRF identification ARX de la r ponse indicielle en monor flexion gauche
122. AL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION SPECTRALE 8 1 1 Intervalle spectral libre Le sch ma optique de I FTSUV poss de une qualit intrins que le double passage dans le systeme a deux r seaux s lectionne la largeur maximale de la bande passante spectrale a analyser SL Cette particularit de la solution propos e est d crite en section 5 1 1 de la premi re partie du document par l quation 3 Il existe alors un compromis de choix entre e Le nombre de traits t le parcours optique S du faisceau dans le bloc interf rom trique et l encombrement de l instrument e Le diam tre d l entr e de l interf rom tre en mm e L intervalle spectral libre et le nombre de pas N chantillonner Si on suppose une dispersion lin aire constante pour A 121 567 nm et un nombre de traits fix t 3 600 traits mm la dispersion angulaire du r seau vaut w t cosa 0 004 rad nm Ce nombre de traits a t choisi afin d augmenter langle de diffraction et de pouvoir bien s parer les longueurs d onde du domaine tudi tout en v rifiant l tat de l art de fabrication de r seaux holographiques Loewen et al 1978 McCandliss et al 2001 De m me on se fixe S lt 1 600 mm afin d avoir un encombrement r duit compte tenu du repliement du faisceau assur par les miroirs plans du syst me qui divise cette distance d un facteur d environ 3 5 L entr e de l FTSUV sera illumin e avec un faisceau col
123. Curie la structure r ticulaire de la cellule change en une sym trie t tragonale qui se caract rise par l apparition d un dip le La figure de droite illustre la structure des domaines de Weiss en absence d un champ lectrique externe la r sultante de polarisation des domaines est nulle lorsqu on applique un champ lectrique il y a un d placement des parois de Bloch et une croissance des domaines dans la direction de polarisation voisine de celle du champ exterieur 141 Figure 63 Sch ma illustrant le principe simplifi du fonctionnement d une diode effet lat ral de gauche droite vue de face du d tecteur vue de profil du d tecteur et circuit lectrique quivalent Deux lectrodes sont dispos es sur la face avant du d tecteur le long des deux c t s oppos s de la couche r sistive suivant un des axes X ou Y de la jonction p La face arri re dop e n poss de elle aussi une couche r sistive o l on place deux autres lectrodes oppos es et orient es orthogonalement aux lectrodes de la face avant LX et LY dimensions X et Y de la surface du d tecteur D diode id ale de jonction Ip photo courant C capacit de la jonction RS r sistance 15 du substrat RY1 RY2 RX1 RX2 r sistance des respectives couches dop es IY1 IY2 IX1 IX2 photo courants g n r s aux bornes des lectrodes 143 Figure 64 Illustration du principe d asservissement par r gulation PID avec r t signa
124. E E 0 El Le oO U u uy LI 10 N N de 100 100 lt lt E E 105 E 105 10 10 1010 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 Fr quence Hz Fr quence Hz 1 5 1 5 1 0 1 0 E 0 5 E 0 5 be 0 0 0 0 5 5 o g 08 1 0 1 0 1 5 1 5 104 104 N r6 6 10 10 gt 8 8 10 E 10 E 10710 10 10 10 12 1012 0 1 1 0 10 0 1000 1000 0 10000 0 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 Fr quence Hz Fr quence Hz 104 104 10 106 N N x 108 x 108 a N N S 10 10 Ss 10 10 10 12 10712 10 14 10714 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 0 1 1 0 10 0 100 0 1000 0 10000 0 Fr quence Hz Fr quence Hz Figure 119 De haut en bas erreur mesur e sur la ddm spectre de d erreur mesur e sur la ddm ddm filtr e par un filtre diff rence seconde d riv e densit spectrale du bruit densit spectrale en sortie du signal d erreur du d tecteur de position Ces mesures se correspondent aux tests r alis s sans asservissement 221 Repetabilite mono reflexion et sans asservissement Repetabilite mona reflexion et sans asservissement T x T Lee a T Ke or 400 rapetabilite nm rapstabilite nm o 200 400 o 5 0x10 1 010 1 510 1 510 1 0x10 OPO nm OPD am Repetabilite multi reflexion et sans asservissement Repetabilite multi reflexion et sans asservissement A T T es 5 0x10 o 400 400 repstabili
125. ESIA 1 1 2 3 La r gion de transition Entre la chromosphere et la couronne voir paragraphe suivant s tend une couche tr s fine de l atmosph re solaire dans laquelle la temp rature augmente de 20 000 K plus de 2x10 K en quelques centaines de kilom tres seulement Les processus qui conduisent cette augmentation brutale de temp rature sont toujours une des interrogations principales de la physique solaire ces temp ratures extr mes la lumi re mise par le Soleil est domin e par les ions lourds de CIV 160 nm Te 10 K He II 30 4 nm Tie 8 x10 K Ces ions mettent dans la partie UV lointain du spectre solaire cf paragraphe 1 2 ce qui rend cette r gion observable uniquement depuis l espace cf section 1 2 et section 2 1 1 1 2 4 La couronne La couronne est la couche la plus externe de l atmosphere solaire Son ampleur s tend jusqu plusieurs rayons solaires Cependant la fronti re entre la couronne et le vent solaire reste floue Le plasma alimentant le milieu coronal est chauff travers la chromosph re et la r gion de transition jusqu plus de 10 K de temp rature Comme il a t mentionn le chauffage de la couronne fait partie des probl mes non r solus de la physique solaire La couronne se caract rise aussi pour tre optiquement mince et tr s peu dense environ 10 43 fois moins dense que la photosph re Le rayonnement coronal est ainsi principalement d qua
126. HIER DES CHARGES DU DEMONSTRATEUR nn 165 17 DESCRIPTION DU MONTAGE ne emmen 171 17 1 COMPOSANTS OPTIQUES ET OPTRONIQUES ccooccccoccconcnoncnonnnconncconnnconcnancccnncnos 171 17 2 STRUCTURE OPTO MEGANIOUE ana en aa 172 17 3 ALIGNEMENTS DES DPTIQUES 2 pas 174 17 4 INTERFACES ELECTRONIQUES ET DE CONTROLE cocooccccoccconcconcnonnconnnccnncnanencns 177 17 4 1 Entr es de USO 177 17 4 2 Sorties de CONSIQING nn nr a er ent essence 177 17 4 3 Syst me de contr le et plan de test 178 12 3 BUDGET nee 180 18 VALIDATION DU DEMONSTRATEUR iii 183 18 1 ETALONNAGE ET TEST DU SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE 183 18 1 1 Caract risation de la stabilit du systeme ooooooccnicccinccccioncccnonccononcccnnncnnnnnncnons 183 18 1 2 Etalonnage du syst me en quadrature de phase ooocooccconoccccconcccnoncccnancccnancnnnns 185 18 2 ETALONNAGE ET TEST DU SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE 192 18 2 1 Etalonnage du syst me de pointage 192 18 2 2 Caract risation de l hyst r sis du syst me 197 18 2 3 Caract risation de la diaphonie du syst me 200 18 2 4 Caract risation de la r ponse fr quence du SYSI ME ooooccccoccccconcccconcccnancnnnnnos 202 18 2 5 R glage des param tres de r gulation PID UUUU nsee ne n 209 18 3 CARACTERISATION DE LA COURSE DE LA PLATINE 212 18 3 1 Caract risation angulaire 212 18 3 2 Caract risation de la diff rence de marche optioue oocooocccicc
127. Hyst r sis de l axe Y en monor flexion AYin 20um 20um Hyst r sis de l axe Y en MR AYin 20j4m 20um 2 3 x gt 5 H 3 5 i i 0 15 0 1 0 15 0 01 o 0 01 0 02 Consigne sur l axe Y V 0 04 0 02 Figure 98 Cycle d hyst r sis mesur e sur l axe Y pour une plage de positions de 100 um 50 um et 25 um en sortie du d tecteur figures de haut en bas respectivement et pour les configurations monor flexion gauche et multi r flexion MR droite 199 18 2 3 Caract risation de la diaphonie du syst me Afin de caract riser le niveau de diaphonie existant entre les axes du miroir mobile il s agit de moduler lentement un des axes de la platine de pi zo actuateurs et de noter le niveau de modulation transf r dans l axe oppos Les sorties du d tecteur de position sont r cup r es par l interface virtuelle Labview d velopp pour le test et utilis e aussi dans le paragraphe 18 2 1 Cinq points des mesure sur chacun des deux axes du d tecteur de position ont t acquis tous les 7 mV de consigne Les r sultats de mesure sont repr sent s dans les courbes de la Figure 100 axe Y et la Figure 101 axe X La superposition des deux droites mesur es devrait r v ler l angle sous tendu entre les deux axes L effet d amplification laisse entrevoir une petite modulation probablement due la qualit de surface des miroirs Dans le cas de laxe X le comportemen
128. IE On a vu dans le chapitre pr c dant que l interferogramme est chantillonn tous les environ 824 nm avec une pr cision de 8 nm et une stabilit de course de 2 5 urads Ce chapitre lll pr sente et d crit en d tail le fonctionnement th orique d un nouveau sous syst me con u pour r pondre aux besoins de m trologie de l instrument FTSUV Il s attache d abord d velopper les principes th oriques g n raux sur lesquels se base le montage Un signal de r f rence va permettre de d duire et de stabiliser avec pr cision le d placement Les instants d chantillonnage seront pr lev s par un deuxi me interf rogramme auxiliaire obtenu partir d une source de r f rence monochromatique dont la longueur d onde est parfaitement connue La mesure dimensionnelle du d placement est coupl e un asservissement bas sur les th ories de contr le permettant de stabiliser la course Les capteurs capacitifs de d placement auraient pu constituer une solution alternative aux besoins de m trologie de l instrument FTSUV Ces appareils ont l avantage d tre simples et peu on reux Cependant ils peuvent difficilement tre utilis s dans notre cas pour deux raisons principales D abord ces capteurs sont habituellement en contact avec les objets sur lesquels ils effectuent leur mesure Ceci entra ne non seulement des erreurs de mesure issues du positionnement et alignement du capteur cause du difficile acc s mais aussi du f
129. III me si cle et le d but du XIX me L effet pi zo lectrique direct fut cependant formellement d couvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie qui pr dirent et v rifi rent exp rimentalement son existence sur des cristaux de quartz de tourmaline de topaze de sucre et de sel de la Rochelle De nombreux travaux th oriques sur les structures pr sentant cette propri t aboutirent en 7970 la publication d un catalogue r alis par Woldemar Voigt classifiant les vingt classes cristallines pi zo lectriques avec leurs correspondantes constantes pi zo lectriques d finies rigoureusement dans son formalisme d analyse tensoriel La r alisation industrielle pionni re fut d velopp e par Paul Langevin qui se servit de cette technique pour l invention du syst me Asdic acronyme de Anti Submarine Detection Investigation Committee et anc tre sonar mise au point avec l ing nieur Constantin Chiloski pendant la Premi re Guerre mondiale Les applications industrielles se basant sur l effet pi zo lectrique inverse sont devenues commercialement possibles il y a 35 ans suite la mise en vidence des remarquables propri t s des c ramiques ferro lectriques de la famille cristalline des p rovskites Depuis de nombreuses ann es les applications industrielles de la pi zo lectricit sont r alis es au travers de mat riaux ferro lectriques labor s sous formes de c ramiques massives polym res composites ou encore de couches mince
130. Il SN 7 anode v2 anode y d Faisceau incident we Catode x pa O jonction O Catode X2 r gion active cathode X1 catode X1 gg e VUE DE FACE VUE DE PROFIL SCHEMA ELECTRIQUE EQUIVALENT Figure 63 Sch ma illustrant le principe simplifi du fonctionnement d une diode effet lat ral de gauche droite vue de face du d tecteur vue de profil du d tecteur et circuit lectrique quivalent Deux lectrodes sont dispos es sur la face avant du d tecteur le long des deux c t s oppos s de la couche r sistive suivant un des axes X ou Y de la jonction p La face arri re dop e n poss de elle aussi une couche r sistive o l on place deux autres lectrodes oppos es et orient es orthogonalement aux lectrodes de la face avant Ly et Ly dimensions X et Y de la surface du d tecteur D diode id ale de jonction Jp photo courant C capacit de la jonction RS r sistance du substrat Ry Ry2 Rx1 Rxe r sistance des respectives couches dop es Iy y2 ben Ixe photo courants g n r s aux bornes des lectrodes 14 1 3 Asservissement la boucle de r gulation P D La r gulation concerne l ensemble des techniques visant a contr ler la grandeur physique d un processus dynamique en fonction d une valeur de r f rence Pour ce faire le capteur donne une image de la sortie du proc d qui est compar e la grandeur de la consigne en entr e A partir de ce signal d erreur
131. L influence d un champ lectrique externe ou intrins que g n re un mouvement de porteurs libres par cr ation de paires lectron trou qui donne naissance un photo courant collect par les lectrodes du composant et converti en un signal de type lectrique qui sera par d finition proportionnel l intensit lumineuse incidente Les photodiodes effet lat ral sont des capteurs mono pixel de type photodiode dont l architecture permet de g n rer un courant proportionnel la position d un faisceau sur sa surface Le terme effet lat ral concerne l apparition d un courant photo lectrique qui appara t le long au lieu de travers de la jonction du semi conducteur ce qui permet de r cup rer quatre photo courants aux bornes des lectrodes situ es sur chacun des bords du d tecteur voir Figure 63 La r sistivit des couches p et n tant quasi parfaitement uniforme le photo courant mesur sur chacune des quatre lectrodes est inversement proportionnel la distance s parant le spot incident et l lectrode consid r e La relation qui existe entre la position X Y du faisceau incident et les courants photo lectriques mesur s aux bornes des lectrodes est x Je Ix Lx 50 Ix2 lx1 2 ly2 bei Ly ya Je ly 2 Ce capteur d tecte ainsi la position du barycentre du flux lumineux incident centro de ou centroid en anglais par rapport au centre de la surface du capteur Tout comme pour
132. MENTAL nina I 64 2 1 DEFIS SPECIFIQUES DE L INSTRUMENTATION UV 64 2 2 CHORXINSTRUMENTAL un een 66 3 FIL CONDUCTEUR DU MANUSCRIT ie 70 PREMIERE PART Estos rta 72 4 DESCRIPTION DE L INSTRUMENT IFTSUV nun dee 74 4 1 DESCRIPTION DU PRINCIPE IFTSUV un ae u 74 4 2 DESCRIPTION DU SCHEMA OPTIQUE DE FTSUV nenn 76 5 SPECIFICATIONS INSTRUMENTALES iii 77 5 1 INTERVALLE SPECTRAL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION SPECTRALE oasis 77 5 1 1 Intervalle spectral DTS meer 77 Ee en Ee ea nenene ene 77 5 1 3 R solution spectrale et bande passante 78 5 2 CHAMP DE VUE ET RESOLUTION ANGULAIRE 2adineenmenneinalten 78 5 2 1 Syst me d imagerie ee ias 78 5 2 2 Qualit de image ia di 79 52 3 Format duidelesieur ae ater es tas 80 5 3 RAPPORT SIGNAL SUR BRUT ie biens 80 5 3 1 R ponse spectrale de l instrument 80 53 2 Le budget d ereur a en 80 5 3 3 De l interf rogramme au spectre 81 6 CHOIX INSTRUMENTAL LES AVANTAGES POTENTIELS D UN IETGUM 83 T ee Te 84 7 1 INTERVALLE SPECTRAL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION KEE 84 7 2 QUALIT DE DIMAGE esse 84 7 3 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT nenne 85 7 3 1 Observation d une source tendue u iere dech 85 K Brut de e ee a a a Aus 85 7 3 3 Bruit OSC Maru AG nee 85 7 3 4 Qualit des surfaces Optiques ae ei 85 K POINTS DURS ne ee nee 86 7 4 1 Effets de polarisation sera en ae mens 86 1 4 2 Lumi re PARAS MG nee ke 87 7 4 3 Observation d une source
133. R sultats des simulations du spectre sur le bord du champ 125 de l axe on observe un d calage de 0 05 nm du centre de la raie spectrale 103 Figure 43 Modulation du signal en fonction du champ de vue pour observer des effets importants on a d augmenter le diam tre l entr e D 640 mm Maillard et al 2013 104 Figure 44 Modulation du signal en fonction de l alignement angulaire en secondes d arc et de diff rentes valeurs du diam tre du faisceau d l entr e de l IFTSUV et pour une longueur d onde centrale de 121 567 9 DE 105 Figure 45 Modulation du signal en fonction de la qualit de surface optique lt 32 gt en nm rms et pour la longueur d onde centrale 121 567 nm sisi 106 Figure 46 Extrait simplifi d une macro d enregistrement d un interf rogramme sym trique Moyennant une boucle FOR on peut faire varier de dx la position du miroir mobile pour chaque it ration de i 0 N N est le nombre d chantillons dans la configuration Un trac de rayons se fait pour chaque it ration d placement du bras mobile La variable opd2 stocke le chemin optique parcouru par le bras fixe tandis que opd1 enregistre le chemin optique du bras mobile pour chaque it ration opd crit la diff rence de chemin optique pour chaque pas vec1 i calcule et enregistre l intensit po r chaque dm shine ae ead evi ana 109 Figure 47 Spectre synth tique Ly a de r f rence simul partir du t
134. RSE Zeche aceit Bun me fon ue us e vm mm ie Br Fe d 8 o m ab as Mu yan W fun we Si Figure 84 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant de piloter la course du miroir et d acqu rir et afficher les signaux en quadrature de phase en temps r el afin pour contr ler leur alignement et talonnage Cette interface permet aussi de contr ler les param tres caract ristiques de la course Une am lioration du contraste du signal a pu tre obtenue suite une proc dure d alignement it rative COMPGURATION DE LA COURSE DELA PLATINE Course trem 12 05 versa ren 7 Heine de spe em Bel a a 2 5 za je n Figure 85 Capture d cran des deux signaux en quadrature obtenus suite au r glage fin de l orientation de la lame quart d onde et des deux polariseurs en sortie de Michelson homodyne 188 Signal mesur AE ONG 017 MR T L o MTAA signal V o rn t 0 500 0 502 0 504 0 506 0 508 temps s Figure 86 A gauche exemple d acquisition du signal d interf rence PDx en volts et en fonction du temps en secondes pour le syst me en mono r flexion et MR avec 2N 4 On retrouve bien un rapport de quatre entre le nombre de p riodes en configuration de mono r flexion et le nombre de p riodes en multi r flexion Figure 87 gauche signaux en quadrature mesur s pendant la course nominale ddm
135. Radio dm m Particules nerg tiques EUV X mous radio cm X durs gamma a Ha La IR Figure 4 Vue sch matique de l ruption d une coupe 2D d un filament et des rayonnements associ s La structure est entour e de son propre champ magn tique cercle vert et du champ magn tique ancr dans le Soleil lignes de force dessin es en rouge et marron figure a Les mouvements aux pieds des champs magn tiques dans la photosph re font monter la structure magn tique du filament les lignes de force oppos es se rapprochent au dessous du filament figure b rectangle jaune Une r gion de tr s forts courants lectriques se d veloppe figures b et c rectangle jaune Dans cette situation les lignes de force subissent une reconnexion magn tique avec deux cons quences 1 la configuration magn tique confinant le filament monte et fini par se d tacher de son ancrage dans la photosph re le filament s envole et une jection de masse a lieu si la vitesse de mont e est lev e une onde de choc se forme en amont 2 Au dessous de l ancien lieu du filament se forment de nouvelles boucles magn tiques lors de la reconnexion des lignes de force l nergie emmagasin e est lib r e ce qui vient chauffer le plasma et acc l rer les particules des vitesses lev es Elles sont ensuite inject es vers le bas le long des lignes de force et vers le haut pouvant ainsi s chapper vers l espace interplan taire source L
136. T TTI 8 0 248 0 246 4000 5000 o 1000 8 3 3 Y Jh hy 3000 Temps 5xs Temps 5xs Figure 94 Mesure de la position en haut et de la puissance en bas du faisceau laser sur la surface du d tecteur de position Les deux configurations sous tudes sont aussi repr sent es les graphiques gauche repr sentent les donn es acquises en mono r flexion tandis que les graphiques droite celles en multi r flexion La campagne de mesures a t r alis e dans les conditions d crites par le paragraphe 18 1 1 voir aussi Figure 80 195 R ponse de l axe X en monor flexion Vin 0 5V 0 5V R ponse de l axe X en monor flexion Vin 0 1V 0 1V 008 aus 006 ga 90 x 00 H Fun i f E a 2 74 SS Re SP ae Sai 008 op 004 00 08 01 a y 0 1169x 2 y 0 1127x R 0 9887 R 0 9963 008 0915 Consigne sur PZT X V Consigne sur PZT X V R ponse de l axe X en MR Vin 0 5V 0 5V R ponse de l axe X en MR Vin 0 1V 0 1V 03 0 06 x x g g i i E 05 04 03 2 04 as 201 008 006 00 2 om op 006 O08 oi E y 0 4906x E 4 y 0 4671x 01 R 0 985 R 0 9954 92 094 03 ope Consigne sur PZT X V Consigne sur PZT X V Figure 95 Courbes de calibration de la r ponse lin aire des commandes sur l axe X des pi zo actionneurs PI S 330 L Les plages de consigne sur laxe X sont Vn 0 5 V et Vin 0 1 V pour l
137. T BUDGET D ERREUR Apr s avoir introduit le concept IFTSUV dans le chapitre pr c dent un mod le analytique simplifi permettant la compr hension plus profonde de son fonctionnement est pr sent Le choix de la r solution et de l intervalle spectral libre fixe les param tres essentiels du balayage de la diff rence de marche ainsi que du dimensionnement de l instrument Le syst me a t mod lis optimis et dimensionn par trac de rayons ZEMAX Les caract ristiques du sch ma FTSUV simplifient cette mod lisation en effet pour tracer l instrument il faut r aliser deux configurations sym triques par rapport laxe optique qui constitueront le bras mobile et le bras fixe du spectro imageur L valuation de la qualit de l image du systeme se base sur les sp cifications concernant le champ de vue et la r solution angulaire Le dimensionnement est contraint par ISL d fini La fa on dont chantillonnage et le bruit affectent la mesure est pr sent e Cette tude permet de d gager un cahier des charges technique Cela permet de comparer les performances d un IFTSUV des dispositifs de type dispersifs avec un r seau de diffraction en r flexion et ISHS et de conclure sur les points forts et les faiblesses de cette technique Quelques points techniques resteront absents de cette tude mais seront quand m me nonc s en fin de chapitre 90 8 CAHIER DES CHARGES TECHNIQUES DE L IFTSUV 8 1 INTERVALLE SPECTR
138. T Sim j NI Y ET TT 2 SZ E 3130 8 10 Mio i 3 Pr or TBE lesure 180 4 200 T T T Moden LE Mesure x d PP y 250 ll 280 Frequence Hz Frequence Hz Figure 103 Identification de l axe X de la platine de pi zo actionneurs mod le analytique obtenu partir de la r ponse en fr quence mesur e voir Figure 103 205 R ponse en fr quence en boucle ouverte PZT Y R ponse en boucle ouverte PZT X diaphonie wkl LL LL LA I T LN M main wir Kal NM ula N u Al i N M Il d M sit TIPA III IIA LITA Phase degr s Figure 104 R ponse en fr quence amplitude en dB et phase en degr s des axes X en bleu et Y en vert mesur e sur le capteur de position et pour une consigne sous forme de bruit blanc envoy e sur l axe Y du pi zo actionneur Les mesures ont t r alis es pour le syst me en multi r flexion et en mono r flexion Gain Axe Y Monor flexion Gain Axe Y Multir flexion TT Tii T l 10 my o Co u Amplitude dB N o Amplitude dB N u w o 35 Fr quence Hz Fr que
139. THESE Pr sent e pour obtenir le grade de DOCTEUR EN PHYSIQUE DE L UNIVERSITE PARIS SUD ECOLE DOCTORALE ONDES ET MATIERE Sp cialit Physique par Claudia RUIZ DE GALARRETA FANJUL Dirig e par Thierry APPOURCHAUX Co dirig e par Anne PHILIPPON et Jean Claude VIAL CONCEPTION ET REALISATION DES PERFORMANCES D UN SPECTRO IMAGEUR A TRANSFORMEE DE FOURIER DANS L UV LOINTAIN IFTSUV Soutenue le 29 Mars 2013 devant le jury constitu par Laurent VERSTRAETE PRESIDENT Don HASSLER RAPPORTEUR Pierre ROCHUS RAPPORTEUR Thierry APPOURCHAUX DIRECTEUR DE THESE Yann FERREC EXAMINATEUR Nelson DE OLIVEIRA EXAMINATEUR Jean Claude VIAL EXAMINATEUR Jean Pierre MAILLARD INVITE Thierry VIARD INVITE UNIVERSITE 2 S PARIS ThalesAlenia SUD ren SPICE CENTRE NATIONAL D ETUDES SPATIALES A mes parents ma famille mes potes N essaie pas Fais le ou ne le fais pas Il n y a pas d essai Maitre Yoda Star Wars Episode 5 L empire contre attaque TABLE DES MATIERES INTRODUCTION cugat dde de ee nes 36 1 DESCRIPTION DU BESOIN SCIENTIFIQUE iii 37 1 1 DE DEUX CHOSES LUNE L AUTRE LE SOLEIL 37 1 1 1 La structure interne du Soleil 38 111 2 L aimosph r du Stel atnetaensti et 39 1 2 LE SOLEIL DANS EDV ee ee 50 121 Lemon Estas me ee 55 1 3 CAHIER DES CHARGES SCIENTIFIQUES nee 60 1 3 1 Sp cifications Spectrales AANEREN 61 1 3 2 Sp cifications sur l imagerie 61 2 CHOIX INSTRU
140. UV R seau R1 0 34 Miroir Plan M 0 85 Miroir Plan M 0 85 ReseauR2 0 35 Imagerie OAP 3 Focus 0 85 CCD QE 0 15 Total 0 013 8 3 2 2 Bruit d chantillonnage L chantillonnage du signal doit tre effectu des positions pr cis ment quidistantes en termes de ddm Toute erreur sur la ddm d un chantillon se traduit par une d formation de la fonction d appareil et produit des erreurs dans le spectre r cup r Des erreurs syst matiques sur le pas d chantillonnage peuvent conduire des ph nom nes d aliasing et appara tre sous forme de ghostlines Les erreurs al atoires se traduisent par du bruit spectral suppl mentaire 107 Pour valuer correctement le rapport signal sur bruit sur notre estimation du spectre il est n cessaire de passer par une simulation de l interferogramme puisque c est lui qui constitue r ellement notre mesure Les simulations num riques sont bas es sur quelques hypoth ses de simplification du probl me Premi rement on a suppos un profil gaussien de la raie Ly a Deuxi mement toute perte spectrale due au fait que le faisceau manque la zone active du d tecteur est n glig e Il est possible de contr ler le d placement du miroir AM de la configuration du bras mobile en programmant une macro programme r dig en langage sp cifique ZEMAX voir exemple sur Figure 46 Pour chaque position du miroir du bras mobile de l interf rom tre les param tres sp cifiq
141. a NASA pilot e par le centre spatial Goddard entr e en phase op rationnelle en d cembre 2006 La mission STEREO a fourni une vue unique et r volutionnaire du syst me Soleil Terre Elle a t con ue pour r v ler la structuration 3D du Soleil gr ce la mise en orbite h liocentrique de deux satellites jumeaux de fa on avoir une vue st r oscopique du Soleil Les objectifs scientifiques de la mission STEREO sont e comprendre des m canismes qui d clenchent les CME e caract riser la propagation des CME le long de l h liosph re e approfondir les connaissances sur les m canismes d acc l ration des particules a faible nergie dans la basse couronne ainsi que dans le milieu interplan taire e am liorer la d termination de la structure du vent solaire Parmi la charge utile de la mission on retrouve des coronographes et imageurs dans UV lointain SECCHI Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation sept instruments effectuant des mesures locales de particules et champ magn tique IMPACT In situ Measurements of Particles and CME Transients La dur e nominale de la mission de 2 ans a t prolong e jusqu nos jours Le satellite TRACE Transition Region and Coronal Explorer Le satellite TRACE de la NASA fait partie du programme SMEX Small EXplorer et fut lanc le 2 avril 1999 L instrument bord a pour mission d observer la chromosphere la r gion de transition et la couronne
142. abilit de cet effet en fonction de la configuration tudi sugg re que les interf rences proviennent de l int rieur du cube BS7 et ne sont pas dues une fuite des polarisations au niveau du 193 cube PBS Cette hypoth se a t corrobor e en bloquant le bras de r f rence de l interf rom tre La r ponse lin aire de la platine de pi zo actionneurs permet de calculer le facteur de conversion Les mesures ont t r alis es gr ce une interface Labview permettant d envoyer des pentes de consigne lente ind pendamment sur chacun des deux axes Cinq points de mesure ont t pr lev s tous les 7 mV de consigne Les plages de mesures sont V 0 5 V 0 5 V et V 0 1 V 0 1 V La Figure 96 axe X et la Figure 97 axe Y montrent les donn es des acquisitions r sultantes Le rapport entre les pentes en mono r flexion et multi r flexion est d environ quatre Le facteur de conversion entre langle des pi zo et la mesure de l angle projet sur le d tecteur est de 0 875 urad um pour le Michelson classique et de 0 225 urad um D apr s le Tableau 29 le facteur de conversion entre la consigne de contr le des pi zo et langle projet sur la surface du d tecteur sera alors de e MONO REFLEXION Axe X 0 102 urad mV Axe Y 0 102 urad mV e MULTI REFLEXION Axe X 0 108 urad mV Axe Y 0 112 urad mV Les facteurs sont en tr s bon accord entre eux urad mV le valeur moyen tant de 0 105 0 004 T
143. ableau 11 r sume les performances atteintes par configuration en multi r flexion lors du montage Le syst me en multi r flexion n a pu tre r gl qu un facteur 2N 4 avec a B 7 000 0 003 Comme le syst me a t align en auto collimation la pr cision th orique du r glage est donn e par la somme quadratique des sensibilit s de r glages de chacune des montures des miroirs et du cube BS 2 4 ainsi que de la pr cision th orique calcul e pour le d tecteur de position 0 9 urad La r solution optique lin aire fondamentale du syst me obtenue est de 4 4 158 2 nm Si l on ne comptait que des nombres entiers de tours d ellipse la pr cision de mesure serait de 158 2 0 95 nm cf paragraphe 18 1 2 sur la totalit de la course Cependant cette r solution peut tre augment e gr ce la r solution de la carte d acquisition et au traitement de correction de phase L erreur rms mesur e sur la course d chantillonnage apr s compensation est d environ 0 77 nm Cette valeur se correspond la r solution ultime du syst me voir Figure 120 et Figure 124 Le r sume des diff rentes erreurs pouvant tre rencontr s dans le syst me figure dans le Tableau 36 Le Tableau 37 pr sente les performances atteintes par le syst me dans les diff rentes configurations test es Les termes d erreur proportionnels d pendent des caract ristiques de la course distance totale mesur e dur e et vitesse au
144. ableau 29 Facteurs de conversion calcul s partir des mesures de la Figure 96 et la Figure 97 FACTEUR DE CONVERSION mm V Axe MONO REFLEXION MULTIREFLEXION RAPPORT in 0 5V in 40 1 V in 0 5 V in 40 1 V Vin 40 5 V in 0 1 V Axe X 0 1169 0 1127 0 4906 0 4671 4 196749358 4 144631766 Axe Y 0 1220 0 1101 0 5085 0 4835 4 168032787 4 391462307 194 Signal d erreur V Puissance mW CONFIGURATION DE LA COURSE DE LA PLATINE 0 ow ows ows owe om Temps Figure 93 Captures d cran des mesures en sortie du d tecteur de position L image de gauche montre les deux signaux de pointage acquis lorsque le miroir d chantillonnage est en repos l image de droite montre les deux signaux de pointage lorsque le miroir d chantillonnage est en mouvement des interf rences parasites Variations du signal d erreur mesure en monoreflexion et sans asservissement Variations du signal d erreur mesure en multi reflexion et sans asservissement 0 010 0 005 0 000 Signal d erreur V 0 005 0 010 o 1000 2000 3000 4000 5000 3000 Temps 5xs Temps 5xs Variations de la puissance laser mesuree en monoreflexion et sans asservissement Variations de la puissance laser mesuree en multi reflexion et sans asservissement AAs Hu may m m OOO RRR ESS 0 274 N 0 272 o iy PA 8 8 JL TTT TTT ia li Puissance mW o o S S 2 3 TT
145. ac juste apr s le laser bloque tout retour de la lumi re vers le laser vitant ainsi toute interf rence parasite Venant modifier le comportement spectral de la source La Figure 55 montre l ensemble du sch ma optique r alis en laboratoire 130 D Co LA vs Li Figure 55 Photographie de l ensemble du banc d monstrateur de la m trologie de l instrument FTSUV 12 2 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE Le sch ma optique est d crit en section 12 1 et Figure 54 apr s avoir travers PBS7 les deux faisceaux de r f rence tat de polarisation p et de mesure tat de polarisation s sont transform s en deux nouveaux tats de polarisation circulaire droite et gauche respectivement moyennant une derni re lame de retard 4 4 en entr e du syst me de d tection de quadrature de phase La superposition des deux tats de polarisation circulaires orthogonaux de m me amplitude produit un tat de polarisation rectiligne Un dernier cube s parateur de polarisation BS2 permet d obtenir deux signaux sinuso daux d interf rence sur chacun des deux photod tecteurs en sortie PDx et PDy avec une diff rence de phase de m 2 entre eux r glable par des polariseurs plac s en amont des deux photodiodes Les deux sorties analogiques en quadrature d cal es de 7 2 varient en fonction du d placement Ax de la cible Apr s d tection et d modulation des deux signaux en quadrature de phase en sortie de l interf
146. accordables de type Fabry Perot filtres acousto optiques cristaux liquides e Les techniques de spectroscopie dispersive qui mettent en jeu des l ments optiques dispersifs de type r seau diffraction prisme ou grism e Les techniques de spectroscopie par transform e de Fourier qui reposent sur le principe d interferences deux ondes L ensemble de ces possibilit s techniques peut encore tre regroup e en fonction de la fa on dont l information 3D est dispatch e sur le d tecteur bi dimensionnel Par exemple dans le cas des spectrom tres dispersion l axe spatial x du d tecteur est utilis pour taler le spectre de la lumi re observ e travers une fente La dimension spatiale y perpendiculaire la direction de dispersion est d finie par la longueur de la fente d entr e Chaque ligne du d tecteur contient alors un spectre dispers d un point de la fente voir Figure 23 A chaque instant la matrice de d tecteurs permet d enregistrer l ensemble de l information spectrale en deux dimensions x d une ligne de la sc ne F Grandmont 2006 Pour obtenir la deuxi me dimension spatiale on doit donc faire d filer la sc ne le long de la direction de dispersion Inversement les spectrom tres bas s sur l interf amp rometrie a deux ondes que ce soit par modulation en amplitude ou en front d onde donnent lieu a des images x y de la sc ne 66 observ e mais n cessitent souvent d ch
147. aday P polariseur BS1 et BS2 cubes s parateurs F lentille de focalisation LEPD photodiode ateral effect PBS cube s parateur de polarisation 4 4 lames de retard quart d onde Mref miroir plan du bras fixe de l interferometre PD1 et PD2 photodiodes Quand le faisceau laser arrive PBS7 ses deux composantes de polarisation s et p sont alors respectivement r fl chies vers le bras de r f rence M et transmise vers le bras mobile Pour le bras fixe apr s un aller retour dans la lame quart d onde orient e 45 4 4 45 par rapport au plan de l axe optique la polarisation verticale se change en polarisation p horizontale en tant par cons quent re transmise par PBS1 vers le syst me de d tection de quadrature de phase Pour le bras de mesure londe polarisation p effectue un aller retour dans la lame quart d onde orient e 22 5 A 4 22 5 via la configuration de multi r flexion De ce fait la polarisation horizontale initiale devient une polarisation lin aire 45 On a donc d une part la composante p de ce nouvel tat de polarisation qui sera transmise par PBS7 et qui servira aux mesures de deviations angulaires sur la diode ateral effect LEPD apr s retour et r flexion sur le cube s parateur BS et d autre part la composante s de la polarisation qui sera r fl chie par le cube polariseur vers le syst me de d tection de quadrature de phase Un isolateur de Faraday FOI pl
148. ages Ly a du Soleil 1959 gr ce l h liographe embarqu Tousey et al 1963 3 Int gration du satellite OSO 8 lanc le 21 Juin de 1975 sa charge utile comportait un spectrom tre fran ais capable de mesurer une plage spectrale de 102 397nm Les contraintes li es l environnement spatial influencent directement toute instrumentation d di e Les performances des charges utiles du satellite sont soumises l absence de gravit les conditions de vide spatial l effet des rayonnements cosmiques sur les d tecteurs et l lectronique les vibrations et chocs lors du d collage ainsi qu des conditions thermiques extr mes De m me les ressources de masse de puissance d encombrement et de t l m trie sont r duites en vol et constituent des probl mes communs tout projet spatial L enveloppe budg taire et le besoin d assurer le d veloppement dans les d lais au sein d une organisation souvent complexe doivent tre g r s sans transiger sur les performances de la mission Dans ce contexte le succ s d un projet spatial implique le d veloppement d instruments hautement optimis s ainsi que d une expertise multidisciplinaire et de moyens technologiques significatifs L instrumentation dans le domaine UV lointain n cessite en plus d tre sp cialement adapt e aux caract ristiques de ce rayonnement Mentionnons d abord que dans cette gamme spectrale toutes les optiques deviennent hautement absorban
149. agit d une mission classe M dont la dur e de vie pr vue est de 7 ans Solar C La mission Solar C est le successeur des missions Hinode et Yohkoh mises en route par l agence spatiale japonaise JAXA en collaboration avec PESA et la NASA La date de lancement provisoire est pr vue en 2079 Les plans d observation propos s concernent des tudes h liosismiques et de l int rieur du Soleil et des recherches sur l atmosphere externe du Soleil afin de comprendre les m canismes de chauffage La charge utile consistera principalement en des instruments de mesures in situ de particules champ magn tique irradiance des magn tom tres effet Doppler et des t lescopes EUV XUV des spectrom tres et des imageurs tr s haute r solution spatiale et spectrale ainsi que des instruments permettant de r aliser de la spectro polarim trie sur le Soleil dans les principales raies qui se forment le long de la photosph re et jusqu la chromosphere Depuis les ann es 60 de nombreuses missions d di es aux tudes du Soleil dans UV se sont succ d Bien que chaque instrument poss de ses propres avantages il s av re de 54 plus en plus n cessaire d avoir des syst mes permettant d obtenir des donn es compl mentaires afin de pouvoir observer la dynamique solaire dans une large gamme de temp ratures Jusqu pr sent aucun spectro imageur rapide 7 30 s de cadence n a t embarqu dans aucune mission spatiale d di e au
150. ait que le contact entre l instrument et l objet change n cessairement le d placement et la fr quence de la cible Deuxi mement les capteurs par contact sont difficilement utilisables sur une cha ne d acquisition dont la cadence n cessite un contr le la vol e L norme succ s atteint par des syst mes de m trologie similaires dont cette tude s est inspir e que ce soit dans des applications de spectroscopie VUV au sol de Oliveira et al 2009 de l analyse de vibrations Pisani et al 2006 Pozar et al 2011 ou d interf rom trie spatiale LISA a en plus encourag la poursuite d une solution interf rom trique pour la mesure et le contr le de l chantillonnage Un rappel du fonctionnement des composants principaux faisant partie de chacun des sous syst mes d tecteur de position syst me pi zo actionneurs et platine de translation DC permet de justifier le choix sur la gamme disponible dans le commerce Les facteurs pouvant limiter les performances de la maquette sont discut s En conclusion nous pr sentons le cahier des charges du d monstrateur regroupant les param tres de fonctionnement nominal de la maquette Bien que des difficult s additionnelles puissent venir se greffer lors du montage exp rimental un guide de conseils prendre en compte lors de la r alisation pratique du syst me sera aussi nonc la fin 128 12 DESCRIPTION DU SYSTEME DE METROLOGIE 12 1 SCHEMA OPTIQUE Le syst
151. al allant de PUV lointain jusqu aux X et se pr sente comme tant hautement structur et violemment dynamique Le champ magn tique solaire est l origine d un grand nombre de ces ph nom nes allant des plus petites aux plus grandes chelles L volution en permanence de mod les de plus en plus sophistiqu s permet grace l ing niosit des scientifiques de se rapprocher de plus en plus du comportement de notre toile n anmoins leur consistance ne peut tre valid e qu travers des observations Afin de relever ce d fi il faudrait faire appel une nouvelle g n ration d instrumentation spatiale Ce besoin d innovation se traduit par un concept instrumental capable d offrir de meilleures performances aussi bien en termes de r solution spatiale et spectrale que de cadence de mesure permettant l analyse presque simultan e du rayonnement UV caract ristique de ces r gions C est dans ce contexte que s inscrit le travail de cette th se la r alisation d une premiere tude de faisabilit d un spectro imageur transform e de Fourier dans UV lointain IFTSUV visant le diagnostic de l atmosph re externe du Soleil Dans une premiere approche au probleme on a cibl la d tection de l mission Lyman alpha excellent traceur de la zone de couplage entre la chromosph re et la r gion de transition sur les diff rentes extensions de r gions actives Pour cela l instrument FTSUV unique dans son genre s adapte particuli
152. angulaire maximale de 25 urads sur tous les axes Aucune sp cification n est donn e concernant la vitesse Les performances dynamiques des actuateurs SL 220 L fabriqu s par PI semblent s adapter a la perfection au besoin voir Tableau 17 Quant au d tecteur de position la pr cision de pointage angulaire d pendra de la pr cision du capteur m me mais aussi de la focale de la lentille et de l amplification du syst me en multi r flexion Afin d attendre les performances requises le facteur d amplification vaut 52 soit un nombre de r flexions N 26 avec les r glages angulaires de la configuration en multi r flexions fix s a 7 et 0 0 28 La pr cision minimale attendue pour ce param tre de gain est de 8 nm La fr quence de pr l vement d chantillons devra dans ce cas tre selon la relation 84 sup rieure 45 kHz La pr cision de pointage th orique pouvant tre atteinte gr ce cette amplification est pour une lentille de f 100 mm et la photodiode effet lat ral OBP A 4L voir paragraphe 12 3 de 2 5 urad D apr s la relation 60 le diam tre minimal des miroirs dans cette configuration devra tre de 21 mm Des miroirs ont t retrouv s par le fabriquant Newport Leur diam tre est de 50 8 mm avec une qualit de surface de 4 20 un substrat en ZERODUR En abscence de moyens d obtention d une meilleure plan it de surface ce composant viendra limiter les performances du syst me en rajoutant une e
153. ant les tests Le pr l vement de mesures s est produit sur une plage de 8 h de mesure Aucun effet sur l am lioration de la stabilit du signal n est perceptible apr s fermeture de la boucle d asservissement dans le cas de la configuration en mono r flexion Le syst me d asservissement semble n anmoins amortir les d rives lorsque le syst me est en r flexions multiples La Figure 81 et la Figure 82 montrent les variations des param tres environnementaux mesur s dans la salle des marbres de la station d talonnage pendant l acquisition des signaux en quadrature La station d talonnage ne poss de pas des moyens de mesure de concentration de CO En fonction des param tres d finis dans le tableau et du deathpath mesur d environ 40 cm l impact des param tres environnementaux est le suivant 370 4 nm C 107 2 nm mbar de pression dans lair 3 84 nm de concentration de vapeur d eau et 5 9 nm ppm de concentration de CO L hygrom trie mesur e ne correspond pas aux niveaux d instabilit observ s le syst me fluctue de fa on beaucoup plus importante que les valeurs calcul es D autres facteurs de nature long terme tels que les d rives de la puissance et du pointage laser la dilatation thermique surtout au niveau des r glages le fluage des pi zo actuateurs les turbulences et vibrations acoustiques de lair ont pu contribuer l erreur mais sont difficilement quantifiables Malgr tout et dans le cas pire
154. antillonner le spectre sur chaque l ment de pixel spatial La nature 2D des d tecteurs contraint donc g n ralement balayer une des trois dimensions du cube de donn es dans le temps Seules les cam ras panchromatiques filtre passe bande et les techniques en spectroscopie dispersive multi fente ou celles qui sont coupl es un dispositif dit de couverture int grale de champ FU pour Integral Field Unit en anglais donnent lieu des acquisitions 3D instantan es Ces derniers permettent d chantillonner et r arranger le champ de vue le long de la fente d entr e du spectrom tre moyennant des matrices de fibres de micro lentilles ou encore des d coupeurs de champs consistant en des empilements de petits miroirs l g rement tourn s les uns par rapport aux autres voir Figure 24 Le bon choix repose alors sur la possibilit d int grer un instrument dont les performances puissent s adapter aux param tres d observation d finis dans notre cahier des charges voir section 1 3 Dans le cadre de ce besoin cette s lection se heurte en plus aux difficult s sp cifiques de la gamme spectrale observ e voir paragraphe 2 1 Les spectrom tres classiques dispersion ayant un potentiel imageur sont pour cette raison souvent r alis s au moyen de r seaux de diffraction en r flexion Il s agit de la technique en spectroscopie la plus exploit e de nos jours dans le domaine de la physique UV du Soleil De tels instruments ont
155. ar le cube PBS en fonction de la longueur d onde incidente polaris e 459 la courbe verte repr sente le taux de polarisation horizontale transmise la rose repr sente la polarisation verticale transmise et la courbe rouge la polarisation p s 2 calcul e Le cube est optimis la longueur d onde du laser He Ne cccccccesesceeeeeeeeseneeeeeeeesesteeeeeesennaaees 172 Figure 73 Syst me de r glage de la configuration en multi r flexion le miroir fixe de r f rence se trouve gauche de l image tandis que le miroir mobile fix la platine de translation par une querre se trouv droite de l image riisus ea E EES EA geed eege eege 173 Figure 74 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant gauche l acquisition et l affichage des signaux mesure horizontale mesure verticale et puissance laser provenant de la photodiode lateral effect pour le contr le de la position et de la puissance du faisceau incident sur sa surface de d tection droite l affichage des signaux en quadrature de phase ainsi que l ajustement des param tres de test de la course d Echantillonnage cccccceeeeeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeseeaeeeseneeeeeeees 176 16 Figure 75 V rification des alignements optiques au bras EAROTIN cacccanacacccononnnnnnnnnnnnnnnncnnnn nana 176 Figure 76 Sch ma d alimentation en mode photoconducteur d une photodiode 177 Figure 77 Diagramme d inte
156. arra L K Imada S Innes D Liem B Korendyke C Mariska J T Martinez Pillet V Parenti S Patsourakos S Peter H Poletto L Rutten R Sch le U Siemer M Shimizu T Socas Navarro H Solanki S K Spadaro D Trujillo Bueno J Tsuneta S Vargas Dominguez S Vial J C Walsh R Warren H P Wiegelmann T Winter B and Young P LEMUR Large Eropean Module for solar Ultraviolet Research Experimental Astronomy Vol 34 Issue 2 pp 273 309 2012 Thorne A Fourier Transform Spectrometry in the Vacuum Ultraviolet applications in progress Physica Scripta Vol 65 pp 31 35 1996 Thorne A Harris C J Wynne Jones l Learner R C M and Cox G A Fourier transform spectrometer for the vacuum ultraviolet design and performances J Phys E Sci Instrum Vol 20 No 1 pp 54 60 1987 Tian H Curdt W Marsch E and Sch le U Hydrogen Lyman a and Lyman B radiance profiles in the quiet Sun Astronomy amp Astrophysics Vol 504 No 239 2009 Tousey R The extreme ultraviolet spectrum of the Sun Space Science Reviews Vol 2 Issue 1 pp 3 69 1963 Vial J C Ebadi H and Ajabshirizadeh A The Ly and Ly BB profiles in solar prominences and the issue of the fine structure Solar Physics 246 327 2007 Vernazza J E Avrett E H and Loeser R Structure of the solar chromospheres Ill Models of the EUV brightness components of the quiet Sun
157. ation thermique augmente le nombre de chocs qui s oppose au d placement Les deux premi res perturbations peuvent tre regroup es sous le terme de bruit de Shot qui s exprime comme Ishot v2q lp Ip Af 85 o q 1 6x10 C est la charge d un lectron est le photo courant g n r et Af la bande passante du bruit Le bruit de Johnson quant lui s exprime comme 4kpTAf 88 L johnson Rsh avec Ks 1 38x10 J K constante de Boltzmann T la temp rature absolue en et R la r sistance quivalente en ohms du circuit de la photodiode Le bruit total sur le courant du capteur peut finalement s crire comme 87 2 2 Itotal A N shot Lonnson Le bruit de d tection pr dominant de notre application sera de nature statistique shot ses effets sur le capteur seront caract riser exp rimentalement La r solution du capteur est alors d finie comme I AX L 88 avec L tant la dimension du capteur et le courant circulant dans l ensemble des contacts Un autre point tenir en compte vient du fait que la pr cision du syst me sera sensible aux d fauts d alignement qui sont d crits dans le paragraphe 15 2 4 Pour s affranchir de ces erreurs le d tecteur doit tre rigoureusement r gl en auto collimation avec le miroir M de fa on d finir une position du faisceau de retour confondue avec le faisceau incident Finalement un autre d savantage issu de l utilisation d
158. au diffraction En effet c est Wood qui pour la premi re fois en 1902 observe la d pendance de l efficacit de diffraction vis vis la polarisation voir Figure 138 Ce ph nom ne appel anomalie de Wood cause de leur nature inexplicable avec les th ories de diffraction de l poque se manifeste comme des violentes variations d intensit dans les diff rents ordres de diffraction et sur des bandes passantes troites Il fut d abord observ pour un champ lectrique incident orthogonal aux traits du r seau anomalie S ou 7M pour Transverse Magn tique mais aussi report dans certaines de ses exp riences lorsque le champ lectrique tait parall le anomalie P ou TE pour Transverse Electrique Ce comportement fut post rieurement caract ris experimentalement par Palmer 1952 qui attribua l apparition des anomalies de type P l utilisation de r seaux profond ment grav s dans le cas de profil sym triques ou des angles de blaze prononc s dans le cas de profils triangulaires Rayleigh 1907 apporte une premi re explication lectromagn tique au probleme en exprimant le champ diffract comme une somme infinie d ondes planes monochromatiques soit propagatives constitu es de l onde incidente et des ondes diffract es soit vanescentes d croissance exponentielle lors de son loignement de la surface se propageant dans un milieu homog ne Il formule qu une certaine longueur d onde critique a
159. ave La plage de longueur d onde est s lectionn e par la rotation d un miroir plan de balayage en incidence rasante La focale du syst me peut tre corrig e moyennant un m canisme de r glage au niveau de chacun des ee 122 Figure 52 Sch ma optique d un spectro imageur ISHS Un r seau de diffraction est plac apr s la fente d entr e de telle sorte que le faisceau collimat incident est divis suivant les ordres de diffraction 1 Deux miroirs de repli dans chacune de ces deux directions sont inclin s selon l angle de Littrow 80 d finit par l quation 20sin80 sin 60 y 1t o l angle y 2 00 oo tano0 d pend du nombre d onde de Littrow o0 Damiani et al 2007 Les deux front d onde sont recombin s au niveau du r seau et produisent une figure d interf rence spatiale en sortie miroir parabolique hors axe OAP dont la diff rence de marche varie selon x avec une fr quence fx 400 otan80 Pour faire de l imagerie il faut rajouter un miroir cylindrique qui r alise la conjugaison entre la sc ne et le d tecteur perpendiculairement aux franges d nteri rence renere nn nnen 122 Figure 53 En haut courbes de transmissions des filtres ACTON 122N transmission 21 Bande passante 50 nm et ACTON 122XN transmission 6 5 Bande passante 15 nm En bas transmission des filtres grille d aluminium source Tousey 1963 123 Figure 54 Syst me de m trologie form par un interf rom tre de Michelson
160. btenir des s quences haute cadence lt 70 s et haute r solution spatiale 1 de la totalit du disque solaire et r v lant des d tails int ressants de l activit solaire observ e dans l UV lointain Solar Orbiter Le projet Solar Orbiter fait partie du programme Cosmic Vision 2015 2025 de PESA Sa date de lancement est pr vue en janvier 2077 En dehors des quatre exp riences in situ contenues dans sa charge utile Solar Orbiter embarque deux spectrom tres SPICE pour SPectral Imaging of the Coronal Environment et STIX pour X ray Spectrometer Telescope un coronographe METIS deux imageurs EUI pour Extreme Ultraviolet Imager et SoloHl pour Heliospheric Imager et un polarim tre PHI pour Polarimetric and Helioseismic Imager Les objectifs scientifiques de cette mission concernent les points suivants e quelle est l origine du champ magn tique dans la couronne et quels sont les m canismes d acc l ration du vent solaire e quelle est la relation entre les ph nom nes transitoires et la variabilit de l h liosph re e comment les ruptions solaires produisent les particules nerg tiques Cette mission a t sp cifiquement con ue pour identifier les origines et les causes du vent solaire du champ magn tique dans lh liosph re et du milieu interplan taire En s approchant jusqu 62 rayons solaires Solar Orbiter verra l atmosph re solaire avec une haute r solution spatiale II s
161. buste pouvant tre envisag e en perspective La derni re partie de ce chapitre pr sente comment r aliser l int gration opto m canique des composants du banc pour aboutir un syst me de m trologie miniaturis et spatialisable pouvant tre incorpor l architecture de l instrument IFTSUV 170 17 DESCRIPTION DU MONTAGE 17 1 COMPOSANTS OPTIQUES ET OPTRONIQUES L ensemble des composants optiques n cessaires la mise en place du banc de m trologie est disponible dans le commerce Newport La source de r f rence choisie est un laser He Ne mod le R 30997 dont les caract ristiques sont d crites dans le Tableau 25 Les composants optiques passifs ont t trait s avec un rev tement anti reflet et ils ont t choisis de fa on ce que leurs caract ristiques optiques soient optimis es pour travailler la longueur d onde du laser de r f rence soit 632 8 nm Les miroirs sont en ZERODUR Ils pr sentent une qualit de surface de 1 20 et une r flectivit de 99 9 sur une surface de 80 du diam tre central Le diam tre des miroirs est de 50 8 mm et son paisseur est de 12 7 mm Les lames de retard ont t choisies avec un diam tre de 25 4 mm Elles sont fabriqu es en quartz Leur pr cision de retard est de 1 300 avec une distorsion du front d onde inf rieure 1 10 pour la longueur d onde du laser de r f rence Les polariseurs sont fabriqu s en BK7 et pr sentent un taux d extinction de 4000
162. cal Society of America Vol 43 Issue 4 pp 771 775 2004 267
163. calibration of SOHO ISSI Scientific Report SR 002 in press International Space Science Institute Bern Switzerland 2002 Parenti S Vial J C and Lemaire P Solar prominence properties derived from the UV EUV SUMER spectral atlas Advances in Space Research Vol 41 Issue 1 pp 144 147 2008 Penquer A D tecteurs UV pour le spatial revue des besoins et de l tat de l art UVX 2010 10e Colloque sur les Sources Coh rentes et Incoh rentes UV VUV et X Applications et D veloppements R cents pp 123 129 2011 Pisani M and Astrua M Angle amplification for nanoradian measurements Applied Optics Vol 45 Issue 8 pp 1725 1729 2006 Pisani M A homodyne interferometer with sub picometer resolution Meas Sci Technol Vol 20 pp 2009 Pozar T Gregorcic P Mozina J Optimization of displacement measuring quadrature interferometers considering the real properties of the optical components Applied Optics Vol 50 No 9 2011 Ruiz de Galarreta Fanjul C Philippon A Vial J C Lemaire P Maillard J P Buisset C Appourchaux T and Auch re F Definition of an imaging spectrometer meeting the needs of UV solar physics Space Telescopes and Instrumentation 2010 Ultraviolet to Gamma Ray Edited by Arnaud Monique Murray Stephen S Takahashi Tadayuki Proceedings of the SPIE Volume 7732 pp 773236 773248 2010 C Ruiz de Galarreta Fanjul Philippon A Vial J C Ma
164. cccccoccccnoncccnancnnnnos 217 19 BILAN DES PERFORMANCES ET BUDGET D ERREUR 231 ADO CONCLUSIONS SE AQ 235 20 1 LIMITATIONS DES PERFORMANCES DU DEMONSTRATEUR en 235 20 1 1 L environnement EE 235 20 1 2 La ee e UC 235 20 1 3 Les composants OPUQUES ae ee 236 20 1 4 La configuration en multi r flexion ooooooncccnnnncccnoncccnonccononcccnoncconancncnanccnnnnncnnnnos 236 20 1 5 Le m canisme de translation nessa 237 20 1 6 L interface de controles ei u ee 237 20 1 7 Autres TAI anne editer Ga cn ie en 238 20 2 INTEGRATION DU SYSTEME DE METROLOGIE DANS L INSTRUMENT EIS IV en Renae aaa ae eee EE 238 CONCLUSIONS Ee 244 21 SYNTHESE GENERALE DES TRAVAUX DE RECHERCHE 245 22 al a al ol Ol he ee ae 247 22 121 AOZO proche nunni eine 247 22 1 2 Pr paration du futur projet anna tint 247 ANDERES see a ee 249 BIBLIOGRAPHIE A o eee de ree 263 LISTE DES FIGURES Figure 1 Sch ma de la structure du Soleil De l int rieur vers la p riph rie le Soleil est constitu d un noyau source d nergie de l toile deux zones de transfert d nergie vers son atmosph re la zone radiative et la zone convective et quatre couches atmosph riques diff rentes la photosph re la chromosph re la r gion de transition entre la chromosph re et la couronne et la couronne solaire Le vent solaire qui n est pas illustr dans la figure est consid r comme une cinqui me couche atmosph rique qui s tend vers le milieu interplan
165. ce d marrer cette th se Ce n est pas tous les jours que l on a l opportunit de travailler c te c te avec une personne brillante comme Thierry je lui en suis norm ment reconnaissante et admirative pour toute son aide et ses conseils mais aussi de m avoir transmis ses connaissances dans l ensemble des disciplines qui concernent le d veloppement d un projet spatial Au del de tout a tu resteras aussi un ami pour moi Je voudrais aussi remercier tr s chaleureusement Philippe Lemaire et Jean Pierre Maillard pour leur participation aux nombreuses r unions et leur avis d expert qu ils ont voulu partager avec moi Je tiens exprimer ma reconnaissance l ensemble des membres du jury Merci aux deux rapporteurs Don Hassler et Pierre Rochus qui ont eu la patience et le temps de lire mon manuscrit de th se et la gentillesse de vouloir se d placer depuis leur pays pour venir a ma soutenance Merci de m me a mes examinateurs Yann Ferrec et Nelson de Oliveira qui ont apport des avis et des corrections dans les moindres d tails Je remercie aussi Laurent Verstraete d avoir assur la pr sidence de ce jury de th se Je veux remercier sinc rement Thierry V de Thal s Alenia Space et Cl ment L du CNES qui m ont fait l honneur de participer ma soutenance Je profite aussi pour remercier le co financement de ma th se de la part du CNES et de Thales Alenia Space mais aussi Christophe Buisset de chez Thales car m me s
166. ce de bruit lectronique dans la cha ne La structure d un syst me de r gulation PID est d crite par la Figure 64 La forme standard de la fonction de transfert de ce r gulateur s crit sous notation de Laplace comme U p 1 i pKp 62 CO gy Kell a Le choix des param tres P D ou synth se du r gulateur d termine de fa on quantitative le bon comportement du syst me en boucle ferm e On peut en fonction de notre besoin choisir une loi de commande de type P PI ou PID voir Tableau 19 La synth se du r gulateur reposera sur des m thodes empiriques directes Ziegler et Nichols 1942 et l analyse pr cise du mod le du syst me a commander 147 r t r f rence Correcteur PID C s Fonction de transfert du proc d signal de r ponse Figure 64 Illustration du principe d asservissement par r gulation PID avec r t signal de r f rence ou consigne e t erreur l entr e du r gulateur C s fonction de transfert du r gulateur ke T Kp coefficients Proportionnel Int grateur et D rivateur du correcteur PID u t commande en sortie du r gulateur G s fonction de transfert du proc d y t sortie de mesure du proc d variable a commander Tableau 19 Avantages et d savantages de chacun des param tres de r glage du r gulateur PID ACTION AVANTAGE DESAVANTAGE P dynamique Ne permet pas d annuler l erreur statique
167. cement du miroir est de 183 093 um s Les mesures se font en continu pas de stop and go gt D apr s le th or me de Nyquist le miroir doit tre asservi deux fois entre chaque pas de mesure la fr quence de r gulation devra donc tre sup rieure ou gale 440 Hz Un r gulateur de type PID sera mis en place pour agir sur des actionneurs pi zo lectriques et corriger ainsi les d fauts de tangages et de lacets qui pourraient survenir pendant la course d chantillonnage du miroir Un probl me s av re lors de la num risation de la boucle PID moyennant l interface de contr le virtuelle Labview En effet Labview a du mal g rer des t ches de contr le en dessous de la milliseconde sous un syst me d exploitation tel que Windows Le prix les d lais de livraison et le temps disponible pour adapter une architecture de programmation sur une cible temps r el RT pour Real Time ont t compl tement incompatibles avec le budget et le calendrier du d roulement de la th se Pour l impl mentation de la boucle PID les signaux d entr e et sortie des consignes ont finalement t remplac s par deux modules PID type SIM960 Les caract ristiques techniques de ces contr leurs PID sont nonc es dans le Tableau 23 La platine de translation la mieux adapt e aux param tres de course et vitesse recherch s est le mod le M 405 CG dont les caract ristiques techniques sont r sum es dans le Tableau 24 Ce mod le annonce une d viation
168. ces de l atmosph re 48 de l autre c t leur haute r solution spatiale et temporelle ce qui permet d tudier simultan ment la morphologie et les mouvements de mati re tout au long du champ de vue en donnant lieu aux s quences les plus spectaculaires sur notre toile On ne peut pas mettre en cause la beaut et l efficacit de l imagerie cependant ce type de donn es par elles m mes pose un probl me puisque la bande passante du filtre n isole pas compl tement la raie spectrale vis e L image se voit donc parasit e par d autres raies voisines ce qui entra ne une mauvaise analyse puisque des raies des longueurs d onde proches peuvent provenir de r gions temp rature et densit diff rentes La pr sence de plusieurs raies form es diff rentes temp ratures l int rieur de la bande passante d tect e est une source d ambig it sur les estimations de temp rature et les r solutions petite chelle des diff rentes structures contenues dans le plan de la sc ne observ e Cette ambig it se retrouve aussi dans l analyse Doppler des vitesses le long de la ligne de vis e Pour la d termination pr cise des vitesses verticales ainsi que du reste des param tres thermodynamiques temp rature densit s on ne peut donc pas se dispenser de la spectroscopie car elle permet d observer a tres haute r solution spectrale En revanche pour les spectrom tres fente tels que CDS ou SUMER sur
169. cision et une stabilit difficilement atteignables par d autres moyens de tenue opto m canique entre les composants optiques du banc L entreprise Winlight assure la r alisation pr cise de ces proc dures de polissage et d assemblage pour des optiques allant jusqu aux 5 mm de c t change priv avec Y Salaun directeur technique de Winlight Optics Puisque l interf rom tre homodyne repose sur des principes de polarisation optique une tude des effets de bir fringence des mat riaux devra tre men e Les param tres qui interviennent sont la m thode de collage choisie et la tenue structurelle de l ensemble en combinaison avec le choix du substrat NBK7 des dimensions des composantes optiques et de la thermique laquelle elles seront soumises Les d fauts d alignement des cubes BS7 BS2 et PBS devront tre d au moins 5 urad rms 238 Le miroir d chantillonnage M est un miroir plan a double face l une d tient la fonction scientifique de l instrument FTSUV alors que l autre sert la mesure et au contr le de P chantillonnage Ce miroir est fait base d un substrat en Silice Son diam tre effectif est de 14 mm Le rev tement de la surface sera optimis la longueur d onde de r f rence L paisseur et le parall lisme entre les faces sont des param tres tenir en compte lors du budget de tol rances La qualit de surface des miroirs de m trologie devra aussi constituer un autre point d
170. comparaison entre les mod les de r ponse indicielle obtenus par identification FRF Frequency Response Function analytique et par identification ARX de la r ponse indicielle en monor flexion gauche et multir flexion droite En bas erreur obtenu sur chacun des mod les sur les syst mes en mono erreur moyenne ARX 4 erreur moyenne FRF 12 et multi r flexion erreur moyenne ARX 1 erreur moyenne FRF E DEE 208 Figure 109 Mod lisation de l axe Y du pi zo actuateur En haut comparaison entre les mod les de r ponse indicielle obtenus par identification FRF Frequency Response Function analytique et par identification ARX de la r ponse indicielle en monor flexion gauche et multir flexion droite En bas erreur obtenu sur chacun des mod les sur les syst mes en mono erreur moyenne ARX 26 erreur moyenne FRF 22 et multi r flexion erreur moyenne ARX 11 erreur moyenne FRF OWS EE 208 Figure 110 Ecart entre les mod les FRF et ARX identifi s l cart moyen pour l axe X est de 2 monor flexion et de 16 multir flexion l cart moyen pour l axe Y est de 62 monor flexion et de 8 multir flexion sue 209 Figure 111 A gauche module SIM 960 a droite capture d cran des r ponses oscillatoires suite a l incr ment du gain lin aire du systeme a partir desquelles on obtient les param tres du r gulateur PID par la m thode Ziegler Nichols
171. contenu dans R telle que f L R e Wl fIF Idt lt co On appelle transform e de Fourier de f la fonction de la variable R not e par f ou F o telle que Ve z 101 o fee torax f SCH Inversement si F o est la transform e de Fourier d une fonction f 1 R on d fini l op ration de transform e de Fourier inverse F ou f x telle que 00 f al File do F nn Les transform es de Fourier des principales fonctions figurent dans le Tableau 41 249 Propri t s Les propri t s essentielles de la transform e de Fourier sont num r es dans le Tableau 40 Tableau 40 Principales propri t s de la transform e de Fourier Propri t s de la transform e de Fourier ed a af x Bg x aF o BG a Lin arit 1 Dilatation a jay ere Br f x f x e F o F o Parit fo f x e F a F o f x E Re F o F a f x Ce F o F o f x xp S e 7 0 Translation 1 w 1 7 w E f x cos wx 5F 0 5 E Ge f x g x e F o G o Convolution f x e i2noF o D rivation 250 Tableau 41 Transformation des principales fonctions 1 x x e 2a Gaussienne We av2n FO Lorentzienne a _ 1six a 2 a 2 f Na k six a 2 a 2 Transformation de Fourier des principales fonctions F o em a o F o asinc mao Fonction porte 6 _ fe si x 0 1 a Delta de Fc 6 lo six 0 Dirac ZS I
172. contraire les termes fixes ne d pendent pas de la distance parcourue par le miroir Le Tableau 38 pr sente les performances du syst me d asservissement Tableau 36 Classement de l impact des erreurs pouvant tre rencontr es dans une mesure interf rom trique dimensionnelle d apr s le manuel d utilisateur d Agilent Technologies 2002 Budget d erreur du syst me Erreurs par cat gorie Pr cision R p tabilit long R p tabilit court terme terme Intrinseques Laser D x x Electronique x x D Non lin arit s x x x Environnementales Atmosph riques x x x Coefficients d expansion des A mat riaux et des optiques Montage Bras mort x x x Abbe x x Cosinus x 231 Tableau 37 Performances sur les mesures lin aires du syst me Param tres de la course Distance mesur e Vitesse PERFORMANCES SUR LES MESURES LINEAIRES DE LA COURSE 1830 930 um 183 093 um s Sans asservissement MONO REFLEXION Valeurs th oriques R solution optique fondamentale D roulement de phase Qualit des surfaces optiques Longueur d onde laser Valeurs mesur es D rive environnementale Non lin arit s de la phase Erreur en cosinus Erreur d Abbe Erreur de r glage en multi configuration Variations de vitesse Vibrations Erreur lectronique acquisition Bruit rms sur l OPD calcul e Contribution de l erreur sur la totalit de la course R
173. cran de l interface virtuelle Labview permettant de caract riser le systeme de pi zo actionneurs Dans un premier temps la r ponse fr quentielle en boucle ouverte du systeme a t caract ris e en fonction d une sortie de consignes sous forme de bruit blanc amplitude 0 7 V en mono r flexion et 0 05V en multi r flexion chantillonnage 5 kHz Ce signal riche en fr quences permet d exciter tous les modes vibratoires du systeme et d identifier un mod le repr sentatif du m me par caract risation de la r ponse en fr quence sur chacun des axes de la platine de pi zo actuateurs Un fen trage Hanning a t adapt pour am liorer la r solution en fr quence des mesures Les outils d identification de syst mes du logiciel Labview permettent ensuite de valider un mod le de syst me en fonction des donn es dynamiques acquises Ce processus d identification est it ratif car il concerne d une part la mise en forme et le traitement des donn es brutes puis une identification du mod le math matique en fonction de cet ajustement et enfin la v rification de ce mod le en fonction du comportement observ du syst me Si les r sultats ne sont pas satisfaisants il faut r viser les param tres et re parcourir le processus La Figure 103 et la Figure 105 montrent la r ponse brute du syst me en boucle ouverte sur chacun des axes De nombreuses r sonances pars ment le spectre de fr quences du syst me ce qui va limiter les valeurs
174. d placement L erreur peut tre estim e par l quation AH AL2 21H o AH est l erreurs hors plan mm AL la distance parcourue mm et H la longueur des flexions Pour des applications ou cette erreur est intol rable un systeme multi guidage r sulte en une erreur nulle d arcure qui permet une r ctitude plan ite dans la gamme du nanometre et du nanoradian 243 Figure 135 Diagramme repr sentant a gauche la relation entre les rayons diffract s par des traits adjacents droite les diffractions dans les ordres successifs 0ooocccccconncoccnnccnanananonnncnnnaronnnnncnnnann nooo 255 Figure 136 Illustration du principe du filtrage de l ISL r sultant de l utilisation d un syst me double r seau la dispersion en sortie tant nulle ss 257 Figure 137 Condition de Littrow pour un seul trait d un r seau blaze oooonnnnncinnicicnccnncnonacnnnonanonanann 258 Figure 138 Photographies du spectre d une lampe incandescente telles que parues dans l article de R W Wood en 1935 La figure not e comme 3 montre les variations du spectre mesur es en fonction de l angle d incidence de 0 46 Les diminutions d intensit en fonction de la longueur d onde correspondent aux anomalies de Wood La variation de zones d anomalie de chaque longueur d onde pr sente un comportement lin aire avec langle cccconnncccnnnccnnnncccnnnccccnnnannn nn anciana nn crac 259 Fi
175. d tecteur de position une droite parall le l axe excit Or il se peut que les deux axes des actionneurs soient tourn s par rapport l axe optique et non superpos s aux axes du d tecteur de position Par cons quent il existera une interf rence entre les axes X et Y du plan qui se traduit par un basculement du signal d un axe sur Taxe qui lui est orthogonal Les effets de diaphonie peuvent tre corrig s si on assure un r glage fin de la fixation de la monture des pi zo actuateurs au miroir mobile Il peut tre aussi compens en tournant le d tecteur de position de fa on ce que la diaphonie soit r partie de fa on identique sur les deux axes Une autre solution serait de faire une r gulation en deux dimensions en incluant la matrice de rotation pour tenir compte du couplage entre les deux axes Si l ensemble miroir platine de translation est d salign par rapport Taxe optique suite un mauvais r glage initial du syst me ceci va se traduire par un d placement du spot sur la surface du d tecteur lors de la course Il s agit d une erreur en cosinus la valeur du signal du 160 spot en fonction de langle d vi et de la course totale vient pour un d r glage de 7 impliquerait alors un d placement de 75 um sur le d tecteur Cet effet sera amplifi lorsque le syst me sera r gl en configuration de multi r flexion ainsi que par les d fauts d alignement au niveau de la lame s paratrice et de la
176. d un isolateur optique pour emp cher la r injection de tout faisceau parasite de retour L lectronique de contr le et de mesure pourrait tre d velopp e sous forme d AS C acronyme de l anglais pour Application Specific Integrated Circuit des micro circuits lectroniques permettant de programmer des syst mes complexes de fa on hautement performante Aucune estimation n a pu tre faite encore concernant la puissance de consommation du sous syst me Le bon compromis entre compacit du syst me et r solution angulaire sera trouv en fonction des valeurs de la lentille focale la r solution du d tecteur de position ainsi que de la puret du mouvement lin aire de translation pouvant tre atteinte par le m canisme de d placement La structure opto m canique de d placement doit assurer les fonctions suivantes e Tenue de la structure monolithique du banc ainsi que du miroir d chantillonnage a double face M e Un m canisme de mouvement macroscopique de translation du miroir la course totale a atteindre par ce d placement tant de 2 mm e Un m canisme de compensateur des erreurs angulaires de tangage et de lacet a la pr cision de 2 5 urad 239 e Supporter les contraintes d environnement classiques du domaine spatial le vide la tenue en vibration lors du lancement et la stabilit en temp rature La totalit du bloc optique serait elle m me coll e une platine interm diaire en Tita
177. de la zone imag e sur le pixel Une fois cette op ration effectu e sur chaque pixel on obtient le cube de donn es final constitu d images monochromatiques Figure 25 Interf rogramme Intensit Diff rence de marche optique Transform e de Fourier pour un pixel Spectre pour un pixel Intensit Longueur d onde en nm Figure 25 Illustration du fonctionnement d un spectro imageur transform e de Fourier 75 4 2 DESCRIPTION DU SCHEMA OPTIQUE DE FTSUV La Figure 26 montre le sch ma optique et g om trique simplifi de l instrument spectro imageur transform e de Fourier fonctionnant dans le VUV IFTSUV Le principe de base reste identique celui d un Michelson la s paration et la recombinaison du front d onde de la source analyser se fait l aide de deux r seaux de diffraction R7 et R2 en r flexion travaillant dans les ordres 7 L ensemble est maintenu compact par quatre miroirs de repli plans M M M et M qui forment chacun des deux bras de l interf rom tre Un de ces miroirs plans est mobile et permet de faire varier la diff rence de marche optique ddm Le syst me r sultant est a dispersion nulle Collimateur Hors Axe gt s D tecteur AA em ot a oT Collimateur M M hs Hors Axe A MM R2 beem eg dd R1 R2 r seaux e M M mirroirs bras 1 D tecteur gt ai b bio e go M Mi mirroirs bras 1 Figure 26 Illustrati
178. des gains du r gulateur P D On remarque aussi que l actuateur pr sente des oscillations apr s le saut de phase ce qui indique la pr sence de p les de r sonance haute fr quence Apr s traitement et lissage des signaux fr quentiels bruts et dans une premi re it ration les fonctions de transfert analytiques lin aires et stables ayant t retrouv es sont montr e dans la Figure 104 et la Figure 106 et le Tableau 30 Pour qu un syst me d ordre n soit stable ses polyn mes doivent tre r els et ses racines sont soit r elles soit complexes conjugu es Lorsque certains p les sont complexes conjugu s les r ponses temporelles du syst me pr sentent des oscillations voir Figure 107 Les caract ristiques fr quentielles de ce syst me sont recueillies dans le Tableau 31 Les valeurs sont en bonne concordance avec les mesures cependant il a t difficile voire impossible de tenir en compte toute la dynamique du syst me en le mod lisant que par des m thodes lin aires 202 Tableau 30 Ensemble des fonctions de transfert mod lis es pour la r ponse en fr quence du syst me FONCTION DE TRANSFERT DU SYSTEME en 7 74554 x 10 888646p 290 37p S Axe X xP 519609 x 1010 2 02115 x 107p 3718 07p2 ps 0 MONO s p 268978x 10 368128p 141 082p Axe Y P 256219 x 1011 4 34768 x 107p 7127 3p2 ps Y P 1 52679 x 1011 7 68808 x 10 p 3770 89p Axe X CH 11 7 2 3 U
179. donn e II permet aussi d afficher la carte de distorsion dans le plan focal sur la totalit du champ de vue Cette carte montre les positions des images des points sources superpos es une grille r guli re repr sentant la position des points images en absence de distorsion Figure 39 et Figure 40 98 14 a 21 a a 113 us Radius From Centrcid in um Seng DA th Polychromatic Data has been scaled by diffraction limis Surface Irage UMS Waveltont Berwi in Waves Y Field in Degrees PMS Mave rons Error vs Field Figure 36 Simulations ZEMAX pour l valuation du syst me d imagerie de FTSUV sur l ISL De gauche a droite et de haut en bas Figure 36 a diagramme de spot Figure 36 b nergie encercl e correspondant la t che d Airy Figure 36 c cart entre le front d onde parfait et le front d onde r el Figure 36 d d formation rms du front d onde dans le champ Les r sultats correspondent a des valeurs sur les diff rents points dans le champ sur l axe et aux quatre extr mes du FOV et les longueurs d onde correspondant au centre et aux bornes de I SL Figure 37 D tail du diagramme de spot pour les diff rents points dans le champ sur l axe et aux quatre extr mit s du FOV et les longueurs d onde correspondant au centre et aux bornes de l ISL 99 3 4 5 6 7 8 9 ST Spherical Astigmatism Field Curvature Distor
180. e L amplitude de la classe des histogrammes est de 0 0005 environ la r solution de la carte d acquisition pour les amplitudes et les offsets elle est de 0 007 dans le cas de la phase r siduelle On peut constater plusieurs choses sur ces figures e la phase r siduelle constitue le param tre avec la dispersion la plus lev e e l exactitude des mesures d pend du sens de d placement Les mesures sont moins bruit es lorsque le miroir retourne a la position de d part voir aussi le Tableau 28 La configuration en multi r flexion semble tre moins sensible a cet effet e dans la configuration en mono r flexion les param tres Xo Yo Ax Ay les r sultats sont sym triques c est dire les courbes pr sentent peu pr s des erreurs aux m mes endroits ind pendamment de la direction de mouvement du miroir Ceci manifeste l existence d erreurs syst matiques dans le syst me notamment lorsque le miroir se trouve a 0 5 mm et 7 mm de course Figure 88 Figure 90 e les valeurs des offsets Xo Vo sont moins lev es et mais plus bruit s en multi r flexion Figure 88 et Figure 89 e dans la configuration en multi r flexion les parametres Ax Ay semblent avoir une d pendance lin aire en fonction de la distance parcourue par le miroir Figure 91 L amplitude diminue lorsque le miroir s loigne et revient la valeur initiale lorsque le miroir fait le parcours de retour Les pertes de contraste sont d
181. e ayant une faible profondeur de profil et correspondant la courbe spectrale continue l chelle Bz quantifie le champ magn tique mesur 11 D position des profils Lyman alpha en rouge ayant une profondeur de profil aigu l chelle Bz quantifie le champ magn tique mesur et correspondant la courbe spectrale en pointill es source Tan etal 2009 2 2 ee een une nn ar 59 Figure 16 A gauche les courbes montrent l altitude pour laquelle l paisseur optique de l atmosph re est unitaire en fonction de la longueur d onde et deux angles d observation du Soleil Ces r sultats sont ind pendants de l irradiance solaire source G Kockarts 2001 Ils d pendent uniquement des abondances et des sections efficaces des diff rentes esp ces atomiques de l atmosph re terrestre A droite Lemaire et al 1978 Lewis et al 1983 la proximit de la Terre i e m sosph re le renversement de la raie Lyman alpha est d non seulement l Hydrog ne atomique solaire mais aussi l absorption g o coronale La courbe en pointill es montre la variation de la section efficace de l oxyg ne atmosph rique 203 K en fonction de la longueur d onde 59 Figure 17 A gauche profils Lyman alpha moyens observ s trois r gions diff rentes d un filament par l instrument SUMER SoHO Vial et al 2007 A droite estimation des intensit s moyennes de l mission Lyman alpha d une protub rance en mouvement
182. e photom trique quivalent en consid rant une optique de collection gale et un d tecteur dont le format et l efficacit sont identiques On se situe pour ceci dans le contexte de instrument LEMUR EUVST qui b n fice d une ouverture de grand diam tre 30 cm f 12 afin d aboutir un instrument lumineux et visant une r solution spatiale de 0 28 soit 0 14 par pixel d tecteur 2048x2048 avec un pixel de 73 5 um On tudiera alors la fa on dont ces dispositifs s adaptent aux besoins en termes de r solution spectrale spatiale et temporelle pour chaque acquisition d un cube de donn es Ruiz de Galarreta et al 2010 Qualitativement les avantages qui sont d abord mis en avant par les partisans de ces techniques sont la robustesse et la simplicit lors de la conception car elles mettent en oeuvre peu d l ments optiques et qu en th orie il n y a pas de m canismes en jeux l efficacit optique tant donn le nombre r duit d optiques n cessaires et finalement un pouvoir de r solution spectral lev Que ce soit pour le spectrom tre a r seau classique ou pour le SHS le champ de vue est d fini par une fente Les l ments spectraux sont r cup r s au niveau du d tecteur le long de la direction perpendiculaire la fente alors que chaque point de la fente est spatialement imag suivant l autre direction Un syst me multi fente ou champ de vue int gral permettrait et d int grer la totalit d
183. e 31 montrent les efficacit s th oriques pour des r seaux de diffraction en r flexion optimis s pour leur utilisation dans PUV lointain et fabriqu s par Jobin Yvon Les variations de l efficacit pr conis es en fonction de la polarisation et de langle du rayonnement incident ne semblent pas significatives dans la plage de mesure qui nous concerne Cette valeur d efficacit est de l ordre de 20 pour des r seaux optimis s la longueur d onde Ly a D autres sources de calcul th orique annoncent des efficacit s de diffraction de 34 pour un r seau profil sinusoidal et jusqu 41 pour des profils de type laminaire Maystre M me si des anomalies ont t report es Fr d ric E Vincent et al 2011 les r sultats ne sont pas concluants Une analyse plus approfondie du probl me requiert une mod lisation lectromagn tique des r seaux Cette approche analytique permettrait notamment de d finir les param tres g om triques du profil nombre de pas taille des pas profondeur des pas forme du profil et du traitement de surface type d empilement multi couche paisseur des rev tements optimis s a un r seau de faible rapport de forme afin de maximiser son efficacit dans les ordres 7 et pour un angle d incidence donn Malgr son norme int r t ce type d tude reste malheureusement en dehors de l tendue de cette th se 3600 gr mm Order 1R inc 0 Coating Alt MgF2 0 25 0 20
184. e IFT SUV nnesnsesssnssnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 95 Figure 35 Mesure de la r flectivit normale d un rev tement Al MgF2 optimis Ly 0 97 Figure 36 Simulations ZEMAX pour l valuation du syst me d imagerie de IFTSUV sur l ISL De gauche a droite et de haut en bas Figure 36 a diagramme de spot Figure 36 b nergie encercl e correspondant a la tache d Airy Figure 36 c cart entre le front d onde parfait et le front d onde r el Figure 36 d d formation rms du front d onde dans le champ Les r sultats correspondent a des valeurs sur les diff rents points dans le champ sur l axe et aux quatre extr mes du FOV et les longueurs d onde correspondant au centre et aux bornes de ISL 99 Figure 37 D tail du diagramme de spot pour les diff rents points dans le champ sur l axe et aux quatre extr mit s du FOV et les longueurs d onde correspondant au centre et aux bornes de l ISL 99 Figure 38 Diagramme de Seidel des aberrations pr sentes dans le syst me 100 Figure 39 Carte de distorsion dans le plan de d tection oooononnonnoninicninncnnocanarnnnoranonanonarn nro nnona cnn 100 Figure 40 R sultats sur la courbure de champ et distorsion de l image sur les deux axes d incidence en vale ur ADSOlUE coins EEGEN Hansa sat mater einen eee a sev dees einer aie 101 13 Figure 41 D tail de la position du d tecteur en sortie du syst me 102 Figure 42
185. e Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 R ponse de l axe Y en monor flexion Vin 0 5V 0 5V R ponse de l axe Y en monor flexion Vin 0 1V 0 1V 0 015 E gt gt 3 l x j 01 oi y 0 1101 R 0 9797 001 0 08 0 015 Consigne sur PZT Y V Consigne sur PZT Y V R ponse de l axe Y en MR Vin 0 5V 0 5V R ponse de l axe Y en monor flexion Vin 0 1V 0 1V 03 0 06 E amp gt gt A S 5 2 2 H Au om age ou D y 0 4835x A 0 9815 03 Consigne sur PZT Y V Consigne sur PZT Y V Figure 96 Courbes de calibration de la r ponse lin aire des consignes sur laxe Y de des pi zo actionneurs PI S 330 L Les plages de consignes sur laxe Y sont Vn 0 5 V et Vin 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 196 18 2 2 Caract risation de l hyst r sis du syst me Les cycles d hyst r sis des actuateurs pi zo lectriques ont t mesur s pour chacun des axes de l actuateur et dans les deux configurations mono r flexion et multi r flexion MR avec 2N 4 Afin d valuer les effets d hyst r sis sur le syst me les tests ont t r alis s pour des diff rentes plages de valeur de position en sortie du capteur LEPD 100 um 50 um et 20 um respectivement Cinq points de mesures tous les 1 mV de consigne ont t pr lev s L ensemble des r sultats de
186. e O entre les deux miroirs de Oliveira et al 2009 a N 1D0 N EZ 36 N d termine le facteur de d multiplication de la phase et d amplification d angle Dans le cas de la phase Ag on crit AT X MR Ar 2N x 7 ag EME py EN SES laser laser La diff rence de chemin optique est donc d multipli e d un facteur 2N et on peut crire le pas de d placement pour chaque passage au z ro des franges d interf rence Alaser 38 Si on consid re une d viation y pendant l chantillonnage de la difference de marche optique l amplification des d viations angulaires en sortie en fonction de N est MR a y a 2Ny 33 Tel que le sch ma optique a t con u voir Figure 54 la cube s parateur en entr e du d tecteur de position BS1 rajoute une derni re r flexion sur le faisceau de retour ce qui m permet de doubler l angle de d viation totale le facteur d amplification final vaut alors 4N 134 Figure 58 A gauche sch ma de la configuration en multi r flexion Le nombre de r flexions N pour que la condition de retour inverse du faisceau soit satisfaite d pend de la relation entre l angle d incidence du faisceau a et la valeur du coin d angle 6 entre les deux miroirs Le param tre N est le param tre de r glage de l amplification de la phase et de la d viation angulaire A droite photographie prise en laboratoire de la configuration en multi r flexion Chaque spot laser rouge repr sente
187. e ce genre de capteurs est que la mesure d angle r sultante est une mesure relative et non absolue Un capteur de type CCD 159 en parall le permettrait de discriminer spatialement l inclinaison des franges d interf rences en vue d une mesure absolue mais au prix d ajouter de la complexit au montage 15 2 3 Platine de pi zo actuateurs La pr sence d hyst r sis peut tre un des facteurs dominants dans la perte de pr cision d un actuateur pi zo lectrique L hyst r sis a pour origine le d placement des grains de joints lors de l application d une tension sur le mat riel pi zo lectrique De nombreux mod les permettent de repr senter le comportement du ph nom ne l chelle microscopique Une th orie permettant d expliquer pr cis ment l ensemble des m canismes qui engendrent la d formation macroscopique du mat riel reste cependant inexistante de nos jours La quantit d hyst r sis augmente avec l augmentation de la tension intensit du champ appliqu e l actuateur L cart dans la courbe tension d formation commence typiquement autour de 2 et peut atteindre entre 10 15 de la tension appliqu e aux bornes de l actuateur Dans les syst mes boucle ferm e l effet d hyst r sis est enti rement compens si besoin Cependant dans l id al il faut essayer de travailler dans une plage de tension qui minimise le ph nom ne car l erreur compenser par le r gulateur devient alors plus
188. e d une tude plus approfondie ainsi que des moyens lectroniques pour concevoir un syst me de contr le optimis e L absence de modules programmables FPGA pour l acquisition et traitement robuste et en temps r el des donn es de phase dynamiques 237 20 1 7 Autres facteurs Comme il a t nonc la pr sence des non lin arit s dans le syst me est principalement due l effet des d fauts de polarisation de composants optiques ainsi qu aux mauvais alignements entre la source et les l ments polarisants cube et lames de retard Ces effets peuvent aussi s aggraver cause des points suivants e La pr sence d une l g re polarisation elliptique dans la source laser e Les diff rents taux de transmission au niveau du cube polariseur e L existence de r flexions parasites L analyse des r flexions parasites s av re difficile voire impossible Elle a pour cons quence la pr sence de non lin arit s r siduelles de deuxi me ordre Wu 2002 qui ne peuvent pas tre compens s par l algorithme d ajustement de l ellipse Les effets d avoir une sortie non balanc e i e les faisceaux du bras mobile et de r f rence recombin s en sortie du cube polariseur n ont pas le m me poids devront tre tudi s en d tail notamment lorsque Ton pourra augmenter le nombre de r flexions dans la configuration a multi r flexion Bien que ce travail ait t r alis en salle blanche il est aussi possible que des ef
189. e de capteur e LYRA LYman alpha RAdiometer un radiom tre Lyman alpha compos de photodiodes en diamant et qui doit permettre d tudier le rayonnement solaire SDO Solar Dynamics Observatory La charge utile embarqu e dans le satellite consiste principalement en un imageur A A Atmospheric Imaging Assembly un Michelson imageur a effet Doppler HMI Helioseismic and Magnetic Imager et le spectrom tre EVE Extreme Ultraviolet Variability Experiment Parmi les questions scientifiques voulant tre r pondues par cette mission on retrouve 53 l tude des m canismes l origine du cycle solaire e tude de l volution du champ magn tique l int rieur des r gions actives l tude de la r organisation le champ magn tique de la reconnexion petite chelle jusqu aux grandes structures pouvant contribuer au rechauffement de la couronne ainsi qu l acc l ration du vent solaire e l tude des variations d irradiance dans l UV lointain et dans quelle mesure sont elles li es aux cycles d activit solaire e l tude des configurations du champ magn tique d clench par les CME et les ruptions solaires e la d termination de la structure et la dynamique du vent solaire pr s de la Terre e la pr vision pr cise et fiable de la m t orologie spatiale et du climat Le satellite a t lanc le 17 f vrier 2010 depuis la base du Cape Canaveral Floride Les images SDO permettent de nos jours d o
190. e de m trologie est repr sent dans la Figure 54 et la Figure 55 Apr s collimation et r duction le faisceau laser passe dans un premier cube s parateur BS puis dans le cube polariseur PBST qui permet de s parer les deux voies n cessaires pour i la mesure et correction dynamique des d viations angulaires et ii la mesure de la diff rence de marche optique par comptage de franges d interference au moyen d un syst me de d tection de quadrature de phase en sortie du Michelson homodyne 129 DEFLECTOMETRE MICHELSON HOMODYNE MULTIREFLEXION p av Mref 4 45 KH Base polarisation polarisation s larisation lin aire 45 po _Polarisati polarisation p ora N4 22 5 E i polarisation p polarisation s A 4 45 Syst me de d tection de P BS2 quadrature de phase P02 a P LABVIEW comptage de franges Horloge d chantillonnage Alignement synchrone mesure de l alignement tip tilt Figure 54 Syst me de m trologie form par un interf rom tre de Michelson homodyne sous syst me d chantillonnage pour la mesure de la ddm et d un d flectom tre sous systeme d alignement synchrone pour le maintien du tip tilt introduit par le d placement du miroir M Le miroir de balayage est en configuration de multi r flexion avec un miroir fixe pour amplifier les d viations angulaires et d multiplier la diff rence de marche en sortie du syst me FOI isolateur de Far
191. e en fonction de la puissance lumineuse de mesure estim e L alimentation est assur e par une source TTI limit e en courant et d livrant une tension de polarisation inverse de 7 5 V Chacune des deux photodiodes poss de une sortie type BNC c bler aux entr es d acquisition de la carte Figure 79 et Figure 77 BNC N dev0 ai x evo ai PD Vout R S dev0 aiGND 1 5V Figure 76 Sch ma d alimentation en mode photoconducteur d une photodiode 17 4 2 Sorties de consigne Il existe deux sorties de consignes de tension se correspondant aux deux axes CH X et CH Y de la platine de piezo actuateurs PI S 330 2L La gamme de tensions d entr e support e par les actuateurs est de 0 10 V Deux cables de type BNC permettent de relier l entr e des consignes la sortie de la carte d acquisition Figure 79 et Figure 77 Lors des tests de les sorties de consignes ont t recabl es par des BNC aux modules de contr le S M960 voir Figure 78 La platine PI M 405 CG assure la translation du miroir M Pour cela il est n cessaire d impl amp menter une sortie de commandes permettant de fixer les param tres de la course sur le contr leur Mercury C 863 La communication se fait via RS232 177 INPUT DETECTION PC INTERFACE DE CONTROLE OUTPUT CONTROLE Alimentation Pulssance layer Secteur Mesure verticale DIODE LATERAL EFFECT 7
192. e et calcul e pendant une course nominale avec asservissement En haut mesures de la configuration en mono r flexion En bas mesures de la configuration en multi r flexion sis 230 20 Figure 131 Sch ma optique du syst me de m trologie trac sous ZEMAX L ensemble des optiques passives cubes s parateurs polariseurs lames de retard la lentille et le miroir fixe sont tenues dans un bloc compact sans avoir besoin d l ments de support m canique 241 Figure 132 Vue d ensemble des diff rents composants du mini banc optique de m trologie IFT SUV Figure 133 Vue d ensemble de la structure du mini banc de m trologie de l instrument IFTSUV La structure en Titane TA6V peut tre r duite un volume cylindrique dont le diam tre est de d 60 mm et la hauteur est de h 126 mm et une masse de 245 g La dynamique est assur e par l actionneur Nexline 111 fabriqu par PI L entrainement du mouvement se fait par une liaison multi guidage triple parall logramme d formable La structure sera dimensionn e en fonction des besoins de course OPD de vitesse et de tenue aux vilbtratons rca na nnonanannns 242 Figure 134 Illustration de l erreur hors plan des structures a parall logramme d formable courtoisie de PI Les flexions basiques parall logramme entra nent un d placement arqu d placement selon un arc introduisant une erreur de hors plan d environ 0 1 de la valeur du
193. e grace aux modules analogiques S M 960 Son impl mentation est discut e dans le paragraphe qui suit 204 R ponse en fr quence en boucle ouverte PZT X R ponse en fr quence en boucle ouverte PZT Y diaphonie E 10 20 30 40 3 50 60 in EBENE MR ER _ be monor flexion z Fr quence Hz Phase PZT Y diaphonie Phase degr s Phase degr s Figure 102 R ponse en fr quence amplitude en dB et phase en degr s des axes X et Y mesur e sur le capteur de position et pour une consigne sous forme de bruit blanc amplitude 0 1 V fr quence 2 5 kH2 envoy e sur l axe X du pi zo actionneur Les mesures ont t r alis es pour le syst me en multi r flexion et en mono r flexion Gain Axe X Monor flexion Gain Axe X Multir flexion 77 J 0 500 1000 1500 2000 2500 Am plitude dB Amplitude dB 30 Fr quence Hz Fr quence Hz Phase Axe X Monor flexion Phase Axe X Multir flexion H 1 20 10bo 1500 2000 2500 4 _ I sh so PRO aso be LE TT SAIT 1 SC AIR 20
194. e nombreuses tudes sur les non lin arit s dans les interf rom tres qu ils soient homodynes ou h t rodynes ont t men es par Wu et al 1996 Eom et al 2001 Keem et al 2004 Pozar et al 2011 L analyse de l impact de chacun de ces postes aux incertitudes de mesure est complexe Le choix des bons composants le soin dans la r alisation des alignements l talonnage ne sont que des mesures palliatives qui minimisent ces effets mais qui malgr tout resteront insuffisantes pour liminer totalement les non lin arit s des signaux en quadrature Cependant on peut s affranchir de ces erreurs et obtenir une meilleure pr cision si on ajuste la repr sentation de Lissajous des donn es d tect es une ellipse L int gralit des courbes dites coniques sont repr sent es par l quation param trique F Sy Sy AS2 BS Sy CS DS FS G 0 73 o le polynome de deuxi me ordre E 5 8 est appel amp distance algebrique de l ensemble des points See i 1 N Si on introduit les vecteurs 4 B C D F G et SE SxS S Sx Sy 1 la relation 73 devient alors F E 74 152 On peut soumettre cette relation la contrainte de normalisation 44C B 1 qui impose l appartenance de l ensemble des points une conique de type ellipse Taubin 1991 Fitzgibbon et al 1996 Le probl me de minimisation de la distance alg brique N min rata De permettant d ajuster les param tres
195. e opto m canique de la maquette est d abord pr sent e Ensuite sont d crits les diff rentes proc dures d alignement et de montage du systeme de mesure les l ments de liaison lectronique ainsi que les diff rentes interfaces permettant le contr le La r alisation de ces tapes indispensables pour mener jusqu au bout le plan de test n a pas t exempte de probl mes de diff rente nature Malgr l amp tude de sp cifications du chapitre pr c dent des limitations instrumentales impos es par la structure l environnement des tests ainsi que les moyens pour la mise en uvre du maquettage ont fait que l exp rience n ait pas pu tre men e jusqu au gain d amplification permettant d atteindre les performances souhait es Le point principal de l ensemble des exp riences de test est alors d inter comparer les performances du Michelson classique en incidence orthogonale asservi et du syst me r gl un facteur de gain 2N 4 valeur limite ayant pu tre r gl e Bien que le syst me mis en uvre ne soit pas adapt aux besoins de l instrument FTSUV l analyse exp rimentale r v le une m trologie de haute r solution et pr cision 0 3 nm rms et 0 1 um de reproductibilit L ensemble des l ments cl s du budget d erreur sont dress s en conclusion Les probl mes identifi s ont des origines connues et maitrisables et constituent des pistes potentielles vers une nouvelle architecture plus compacte et ro
196. e se manifeste par l apparition de r gions actives 118 10 CHOIX INSTRUMENT AL COMPARAISON ENTRE INSTRUMENTS Comme d j mentionn dans le paragraphe 2 tout spectrom tre peut tre converti en spectro imageur et d autres solutions techniques pouvant s adapter a nos besoins existent ou ont exist d j En particulier les spectrom tres fente classiques bas s sur des r seaux dispersion en r flexion jouissent d une grande popularit et ont d j t protagonistes de missions couronn es de succ s L instrument SUMER SoHO voir Figure 51 en est un exemple et la proposition LEMUR EUVST est candidate pour la future mission japonaise Solar C Teriaca et al 2012 D un autre c t de nombreux dispositifs de type spectrom tre 7F h t rodyne voir Figure 52 sont en phase de d veloppement et pr sentent des r sultats encourageants pour le futur des observations UV dans le spatial Harris et al 2005 Damiani et al 2006 Vincent et al 2011 Les sch mas optiques de ce genre d instrumentation ainsi que leur fonctionnement sont d crits dans la Figure 23 la Figure 51 et la Figure 52 Alors pourquoi avoir choisi un IFTSUV Ou plut t quels sont les points sur lesquels ces instruments pourraient concurrencer Nous pouvons valuer cette question sous diff rents points de vue purement qualitatifs et en mettant des hypoth ses quantitatives simples Pour cela on placera les candidats comparer dans un mod
197. e sera dimensionn e en fonction des besoins de course OPD de vitesse et de tenue aux vibrations 242 Lk f a b an DEI a 2H Figure 133 Illustration de l erreur hors plan des structures parall logramme d formable courtoisie de PI Les flexions basiques parall logramme entra nent un d placement arqu d placement selon un arc introduisant une erreur de hors plan d environ 0 1 de la valeur du d placement L erreur peut tre estim e par l quation AH Sy o AH est l erreurs hors plan mm AL la distance parcourue mm et H la longueur des flexions Pour des applications ou cette erreur est intol rable un syst me multi guidage r sulte en une erreur nulle d arcure qui permet une r ctitude plan ite dans la gamme du nanom tre et du nanoradian 243 CONCLUSIONS GENERALES O 244 21 SYNTHESE GENERALE DES TRAVAUX DE RECHERCHE La premi re partie du manuscrit expose au lecteur de mani re succincte le contexte g n ral de la probl matique associ e la physique solaire L accent est mis sur les probl mes particuliers concernant l atmosph re solaire et plus pr cis ment l tude de ses couches plus externes En effet les nombreux processus physiques l interface entre la photosph re et la couronne repr sentent encore de nos jours une nigme pour la communaut scientifique solaire Ce milieu caract ris par des temp ratures extr mes est observable dans le domaine spectr
198. e sur cette r gion de la surface et des valeurs inf rieures aux sp cifications sont attendues R lt lt 99 9 ce qui s est traduit par une notable perte du contraste Deuxi mement et en absence d un syst me de positionnement motoris ou encore fait sur mesure le r glage manuel est d acc s difficile une fois que toutes les optiques sont mises en place et une pr cision fine 175 s av re impraticable quand l amplification de l angle s approche la sensibilit de la molette de r glage de la monture Finalement le r glage des gains proportionnels des axes x et y du syst me PID est aussi d autant plus fin que le nombre de r flexions augmente devenant impossible r gler partir d une certaine valeur Ces trois grands facteurs qui seront d velopp s par la suite ont limit notre gain 2N 4 avec l angle a entre le miroir mobile et l axe optique est r gl 7 degr s et le coin d angle 8 entre les deux miroirs 7 degr s E FI Figure 74 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant gauche l acquisition et l affichage des signaux mesure horizontale mesure verticale et puissance laser provenant de la photodiode lateral effect pour le contr le de la position et de la puissance du faisceau incident sur sa surface de d tection droite l affichage des signaux en quadrature de phase ainsi que l ajustement des param tres de test de la course d chant
199. e tout syst me dynamique quelle que soit sa complexit peut tre approxim par un syst me lin aire dont la r ponse est la combinaison lin aire des r ponses l mentaires dominantes de premier ou deuxi me ordre K Sa p ER T E a E CI p Il up avec les param tres d identification du deuxi me ordre K gain statique w fr quence de r sonance naturelle son coefficient d amortissement relatif et o 2 po 2 92 Sap gta Pt a a 2 p r Up p oe ae 1 avec Wap 2 f y en rad s est la fr quence de pulsation du syst me Cependant il faut garder l esprit que ces mod les d ordre r duit n gligent souvent les perturbations telles que les bruits du processus ou encore les ph nom nes d hyst r sis de diaphonie ainsi que certaines dynamiques pouvant tre pr sentes dans le systeme et conduisent donc a des erreurs ou impr cisions lors de la synthese Dans les limites de ces hypotheses simplificatrices l organe de commande PID pourra tre optimis de fa on rejeter les perturbations pr sentes aux diff rents endroits du processus voir Figure 70 en apportant les contraintes suppl mentaires sur la sensibilit et le suivi de la consigne L optimisation est bas e sur le choix du bon r gulateur P PI PD ou PID combin l ventuel filtrage du signal de consigne ainsi que par l ajout de boucles de correction additionnelles mixtes en cascade L exp rience avec des s
200. e vue FOV est limit un carr de FOV 250 de c t correspondant la taille d une r gion active moyenne entour e d un peu de Soleil calme voir Figure 20 SPEC 5 La r solution spatiale est de l ordre de 1 ce qui correspond 750 km sur le Soleil vu de la Terre pour r soudre les nombreuses petites structures solaires voir Figure 20 SPEC 6 Pour observer correctement les v nements dynamiques le temps d acquisition du cube de donn es doit tre limit at 10s Profil Ly a du Soleil calme T T T T T T T T T T Fi mW m sri nm o 100 120 140 Alnm Profil Ly a trou coronal T T T T T T T T T T wr Lie KS er _ Ai ar gt WEI f Ps Hi eni E 3 E y E w vl Loy i Loy N w E E vs Anm Profil Ly a d une tache solaire T T T T T T T T T T T wk E S k 5 3 4 E E weng MEE 1 fi fi 1 L L eo we 120 Ta Alnm Figure 18 Profils d mission au voisinage de la raie Ly a en chelle logarithmique pour un trou coronal le Soleil calme et une tache solaire qui est repr sentative d une r gion active dans un intervalle spectral qui va de 67 nm 150 nm ay 96 CN 5 95 z 103 e 4 d 1021 E 13 5 101 u n 100 de 99 31 f 98 Les SEE SS ET EE 1 S 300 1117 250 110 119 109 a f Hg 4 H ti E TE E 116 D 107 H 2 115 gt 106 3 114 105 3 113
201. eau parall le dans le bloc interf rom trique puis un troisi me paraboloide en sortie de IFT SUV pour l obtention de l image par focalisation sur le CELE CIOL serene E EEEE EEEE E E Maasnedulid ddelvdeutetadetvsteveutdtas 79 Figure 29 Ghalne de E 81 Figure 30 Courbe d efficacit absolue th orique en fonction de la longueur d onde et de la polarisation de la lumi re incidente pour des r seaux 3600 lignes par millim tre un rev tement en Al MgF2 source HORIBA Jobin Yvon iii 86 Figure 31 Courbe d efficacit absolue th orique en fonction de l angle d incidence et de la polarisation de la lumi re pour des r seaux 3600 lignes par millim tre un rev tement en Al MgF2 et 121 567 nm source HORIBA Jobin Yvon siens 87 Figure 32 Fonction de m rite permettant de d finir ISL en fonction du parcours optique du faisceau dans le syst me Cette fonction permet de r gler le parcours optique du faisceau entre R1 et R2 la valeur souhait e en optimisant les distances lat rales entre les r seaux et les miroirs 92 Figure 33 Vue de profil et vue d en face du dimensionnement de l IFTSUV suite l optimisation de intervalle Spectral Ole 2 2 0 2 aa ar 94 Figure 34 Empreintes du faisceau collimat en entr e de l IFTSUV et pour les diff rentes valeurs du champ de vue au centre et aux quatre extr mit s L observation d une source tendue implique une divergence du diam tre du faisceau en entr e d
202. ement pendant le d placement du miroir Tableau 35 Moyennes et erreurs rms calcul es pour les param tres Xo Yo AX Ay et po de l ellipse pendant une course nominale en mono r flexion et multi r flexion avec asservissement 1 valeurs des param tres mesur s dans le sens positif de la course 2 valeurs des param tres mesur s dans le sens n gatif de la course Les valeurs ont t calcul es partir de la normalisation de donn es cf quation 100 a xo V yo V Ax Ay po degr s moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur Mono 0 00232 12 93 0 00328 8 66 1 4218 0 07 1 4068 0 07 0 0162 1 85 MR 0 00124 22 18 0 00099 30 27 1 4245 8 00 1 4020 7 63 0 0074 12 10 2 Xo V Yo V Ax Ay Po degr s moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur Mono 0 00001 100 0 00161 20 03 1 4146 0 06 1 4137 0 06 0 0229 1 67 MR 0 00222 12 89 0 00078 34 74 1 4172 8 37 1 4100 3 72 0 0180 7 223 erreur nm 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX mono r flexion avec asservissement erreur PSX microradians 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 opd nm Signal d erreur sur PSX mono r flexion avec asservissement 10 erreur PSY microradians o
203. ent T T T 400 d 200 40f cn nahen L r A 1 a ae 15x10 10x10 50x10 o OPD nm Repetabilite multi reflexion et avec asservissement T T T 400 A A ES EA gt EN 15x10 10x10 OPO nm et multi r flexion et avec 227 Offset x0 mono reflexion avec asservissement Offset xO mono reflexion avec asservissement 0 02 WS m wm WR RS 0 02 0 01 0 01 g 92 000 0 01 0 01 0 02 re 4 1 o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 PEN 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm counts x0 V Offset yO mono reflexion avec asservissement Offset yO mono reflexion avec asservissement 0 02 T 0 02 1 r 0 01 0 01 2 0 00 amp 0 00 0 01 0 01 1 0 02 L a 1 a Kee 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm counts o 0 000 0 005 0 010 0 015 vom 0 012 Figure 125 Evolution des offsets xo yo mesur s et calcul s pendant une course nominale en mono r flexion et avec asservissement Offset x0 multi reflexion avec asservissement Offset x0 multi reflexion avec asservissement 0 02 ET ET Tr 0 02 _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ n um n r 0 01 2 0 00 0 01 0 02 5 0x10 1 0x10 1 5x10 OPD nm counts 8000 0 002 0 004 0 006 0 008 0 010 0 015 0 010 0 005 0 000 x0 V x0 V Offset yO multi reflexion avec asservissement Offset yO multi
204. ent Gain mont e s r ponse s statique MONO AXE X 0 00042 0 0081 20 9 0 125 AXE Y 0 00027 0 0096 49 2 0 113 MR AXE X 0 00033 0 0037 32 1 0 565 AXE Y 0 00031 0 0051 51 7 0 500 On a vu que ce syst me est d un ordre sup rieur 2 et qu il pr sente des signes de non lin arit Les temps de r ponse estim s sur chacun des axes d passent la valeur sp cifi e lt 0 002 s voir Tableau 32 Cette premi re mod lisation pr sente une erreur lt 26 dans le cas pire et un cart entre les deux mod les fr quentiel et temporel de lt 62 voir Figure 110 La mod lisation de ce syst me et la conception de son organe de r gulation optimis s peut s av rer longue et compliqu e notamment lorsqu il existe des tapes de lin arisation du processus comme il semble le cas De plus la conception d un organe de commande fait sur mesure aurait n cessit d une mise en place d importants efforts en lectronique pour la gestion de la boucle mais aussi de la structure m canique du montage pour liminer le maximum de non lin arit s li es la structure L exercice de param trisation et d optimisation du syst me n est donc malheureusement pas all plus loin car il ne serait pas rentr dans les temps d ex cution de cette th se Bien que ses performances soient probablement limit es pour le probl me qui nous concerne le r gulateur qui a donc t retenu est une commande de type PID mise en plac
205. entre 10 4 de la valeur asymptotique En prenant le cas moins contraignant 10 la rapidit maximum pouvant tre atteinte par ce r glage est de 70 ms alors que la valeur sp cifi e est de lt 4 ms 210 La Figure 112 montre la stabilit des signaux pendant les mesures nocturnes Bien que d apr s les r sultats du paragraphe 18 2 4 le r gulateur P ait s rement des performances limit es le comportement long terme semble correct Le bruit mesur sur le d tecteur est du m me ordre que le bruit nominal caract ris dans le paragraphe 18 2 1 la mesure de la sortie d erreur sur le d tecteur de position devient stable et aucune d rive angulaire n est observ e cf Figure 95 du paragraphe 18 2 1 Pendant les mesures nocturnes en multi r flexion un v nement de nature non d termin e s est produit entre les 4 h 15 000 s et les 7 5 h 27 000 s d acquisition Si l on observe les mesures sur les d tecteurs en quadrature de phase cf Figure 80 du paragraphe 18 1 1 un changement de sens dans le d filement des franges c est produit pendant le m me intervalle de temps de mesure Variations du signal d erreur mesure en mono reflexion et avec asservissement 0 0008 ETAT 6 FET IAEA FEEF WEINE ENS STE I AN 0 0010 FARM N L hal _ 0 0012 e PSD X EN PSDY E 0 0014 ECI 5 D LS Ka Get 0 0016
206. epr sente l axe Y Les mesures en multi r flexion ont t recal es au facteur d amplification r gl 2N 4 Ces mesures sont en accord total avec les r sultats obtenus dans le cas classique superpos en couleur claire sur chacune des deux graphiques iia o id 215 Figure 116 D viations angulaires induites par les effets de tangage et de lacet induits par la platine de translation pendant la course du miroir Les d viations en multi r flexion repr sent es en urad par les courbes bleue axe X et verte axe Y ont t mises l chelle apr s soustraction des droites de meilleur ajustement obtenues dans les mesures repr sent es dans la Figure 115 Les mesures en configuration en mono r flexion sont superpos es en couleur claire apr s soustraction des droites de meilleur ajustement obtenues dans les mesures repr sent es par la Figure 114 Elles pr sentent un tr s bon accord entre elles et montrent l existence d une erreur angulaire syst matique dans la platine qui se reproduit tous les 0 5 mm 216 19 Figure 117 Mesures brutes des signaux en quadrature en configuration classique gauche et en multi r flexion droite en noir la courbe repr sente la mesure sans asservissement en rouge la courbe repr sente la mesure avec asservissement uunnsenesssnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 217 Figure 118 De haut en bas mesure de l cart entre la difference de marche mesur e en nm et
207. eries Vol 370 p 46 2007 Heydemann P L M Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers Applied Optics Vol 20 No 19 pp 3382 3384 1981 Junttila M L Kauppinen J and Ikonen E Performance limits of stationary Fourier transform spectrometers JOSA A Vol 8 Issue 9 pp 1457 1462 1991 Kanatani K and Rangarajan P Hyperaccurate ellipse fitting without iterations Proc Inf Computer Vision Theory and Applications Vol 2 pp 5 72 2010 Keem T Gonda S Misumi l Huang Q and Kurosawa T Removing nonlinearity of a homodyne interferometer by adjusting the gains of its quadrature detector systems Applied Optics Vol 43 No 12 2004 Learner R C M Thorne A P and Brault J W Ghosts and artifacts in Fourier transform spectrometry Applied Optics Vol 35 Issue 16 pp 2947 2954 1996 Labrosse N Heinzel P Vial J C Kucera T Parenti S Gunar S Schmieder B and Kilper G Physics of Solar Prominences I Spectral Diagnostics and Non LTE Modelling Vol 151 Issue 4 pp 243 332 2010 Lemaire P Charra J Jouchoux A Vidal Madjar A Artzner G E Vial J C Bonnet R M Skumanich A Calibrated full disk H I Lyman a and Lyman profiles Astrophys J 223 L55 L58 1978 264 Lewis B R Varvadas M and Carver J H The aerodynamic disotiation of water vapor by solar Lyman alpha radiation J Geophys
208. erv dans la raie FeXIl 19 3 nm T 1 2x106 K Les trous sont des r gions plus froides sombres et peu denses dans la couronne solaire Il s agit d une structure dont les lignes de champ sont ouvertes vers le milieu interplan taire ce qui favorise l vaporation de la mati re coronale dans le vent solaire A droite embrillancements flares observ es dans la r gion active AR1415 par AIA SDO dans la raie Hell 30 4 nm T 50 000 K source SDO NASA 46 Figure 7 Sch ma de la direction des lignes de champ magn tique solaire en bleu coulement du vent solaire en rouge et localisation de la ligne neutre en vert s parant les polarit s positive et n gative du champ magn tique solaire source LESIA noo 47 Figure 8 D pendance de la temp rature avec la distance la surface solaire L atmosphere du Soleil est caract ris e par un fort gradient de temp rature au dessus de la photosph re o l on passe de quelques milliers de Kelvin des millions de Kelvin en un distance de quelques kilom tres Les couches atmosph riques concern es sont la haute chromosph re la couronne et la r gion de transition situ e entre les deux La spectroscopie permet de sonder l atmosph re en fonction des diff rentes altitudes de formation ou d absorption des raies du spectre solaire Le long de ces couches on retrouve le vaste univers de structures qui peuplent le soleil Des taches solaires jusq
209. es 131 12 3 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE ccccccocccoocccccononononcnnnnanonnnnnncnna nono 132 12 4 CONFIGURATION EN MULTI REFLEXION 2 cece ceeeee cence eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeenaeees 134 13 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE issues 136 13 1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT u 136 13 1 1 LINTERFEROMETRE DE MICHELSON HOMODYNE AA 136 13 1 2 LE SYSTEME DE DETECTION DE QUADRATURE DE PHASE 136 14 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE AA 138 14 1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT socias 138 14 1 1 Les pi zo actionneurs u 138 14 1 2 Syst me de pointage le d tecteur de position 141 14 1 3 Asservissement la boucle de r gulation PID UV 143 15 LIMITATIONS DES PERFORMANCES DU DEMONSTRATEUR nenne 149 15 1 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE ie 149 15 1 1 Effets environnementaux nennen 149 15 1 2 Effets des non lin arit s ses 151 15 1 3 R glages du sous svst me Au 154 18 1 4 PS a oe iaa 156 15 2 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE cecceeseeteseeeseeteeeeeneeee 158 15 2 1 Effets environnementaux 158 15 2 2 Syst me de pointage le d tecteur de position DD 158 15 2 3 Platine de pi zo actuateurs EE 160 15 2 4 R glages du sous syst me 240urnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 160 15 2 5 La boucle de r gulation PID EE 161 18 26 Autres BEE aa ee 163 15 3 CONFIGURATION EN MULTI REFLEXION iii 163 16 CONCLUSIONS satan E E E E E 165 16 1 CA
210. es UV et X du Soleil et de la galaxie en particulier des structures caract ristiques de la chromosph re calme et active pendant la dur e d un cycle solaire La charge utile embarqu e tait g n ralement constitu e par des instruments imageurs et de spectrom tres Le huiti me et dernier lancement du satellite OSO 8 a embarqu le premier spectrom tre r seau r alis au LPSP Laboratoire de Physique Stellaire et Plan taire Les op rations du programme OSO finirent en Octobre 1978 Figure 10 Le docteur Nancy Roman l une des scientifiques responsable du programme spatial OSO de la NASA montre un mod le du satellite OSO 1 en 1960 source NASA La mission SOHO Solar and Heliospheric Observatory L observatoire SOHO lanc en 1995 est encore op rationnel Les instruments E T Extreme Ultraviolet Imaging Telescope SUMER Solar Ultraviolet Measurement of Emitted 51 Radiation et CDS Coronal Diagnostic Spectrometer GOLF Global Oscillations at Low Frequencies LASCO Large Angle and Spectrometric Coronograph VIRGO Variability of Solar Irradiance and Gravity et MDI Michelson Doppler Imager Solar Oscillations Investigations constituent le noyau dur de la charge utile de cette mission Les objectifs scientifiques de cette mission se regroupent autour de trois themes e l tude de la couronne et en particulier les m canismes de chauffage de celle ci e l tude h liosismologique de la structure interne du So
211. es est recueilli dans le cahier des charges du Tableau 2 et r sum par la suite Tableau 2 Cahier des charges scientifique d crit en section 1 3 1 et section 1 3 2 Profil Ly a 121 567 nm Observable Valeur Commentaires Champ de vue FOV 250 x 250 1 Observations d une r gion active Bande passante spectrale 2 0 6 nm Largeur de la raie et observations du d calage spectral Pouvoir de R solution R 24000 R solution du profil Ly a Cadence T 10s Observation des ph nom nes dynamiques solaires et stabilisation de l image SNR gt 5 Minimum d tectable entre le pic et le centre de la raie 60 1 3 1 Sp cifications spectrales SPEC 1 L mission Ly a est la plus importante dans le spectre VUV du Soleil voir Figure 18 La bande passante spectrale sera centr e sur cette raie Aq 121 567 nm SPEC 2 Le profil Ly a pr sente un renversement La profondeur de ce renversement ainsi que l asym trie entre les pics sont variables en fonction de la structure et de la r gion observ es Figure 18 et Figure 19 Une r solution spectrale de 0A 0 005 nm pouvoir de r solution R 4 61 24000 permet la fois l analyse a haute r solution et une acquisition haute cadence du profil spectral SPEC 3 Afin de tenir compte de la largeur de la raie et de ses possibles d calages spectraux cf Figure 19 la bande passante retenue est AA gt 0 6 nm 1 3 2 Sp cifications sur l imagerie SPEC 4 Le champ d
212. es positionn es des colonnes adjacentes permet d taler le spectre des diff rents endroits du champ de vue Les principaux inconv nients de cette technique sont l existence de zones mortes de spectre cause des d bordements du spectre sur le d tecteur et les lacunes spatiales qui se produisent cause de la r partition des fentes Une matrice de micro lentilles permet de juxtaposer les spectres dispers s par un r seau convenablement orient mais conduit souvent la pix lisation du champ ce qui vient d grader la r solution spatiale Les syst mes micro lentilles fibr es corrigent ce d faut en r arrangeant le champ sur une ligne de points le long de la fente cependant le positionnement des fibres s av re ardu et pas exempt d erreurs ce qui conduit des distorsions d image et des pertes de lumi re Les syst mes d coupage de champ form s par des empilements de miroirs l g rement tourn s les uns par rapport aux autres r alisent un chantillonnage spatial homog ne et continu mais sont cependant limit s des sc nes de quelques arcsecondes CUBE DE DONNEES 69 3 FIL CONDUCTEUR DU MANUSCRIT Ce manuscrit est articul en deux parties comprenant deux chapitres chacune Il se d cline comme suit Dans la premi re partie de ma th se je pr sente la phase de pr tude du concept et du design d un spectro imageur transform e de Fourier travaillant dans UV lointain Le chapitre est u
213. esoin d avoir une tr s bonne qualit de surface optique afin de limiter la dispersion de lumi re par la rugosit de surface voir Figure 22 Autrement les performances de instrument peuvent vite se voir d grad es car e Une partie du faisceau peut ne jamais atteindre le plan focal du d tecteur ce qui se traduit par un affaiblissement du signal e La dispersion grand angle produit des pertes de contraste e La tache image devient floue et la r solution angulaire diminue Ce ph nom ne de dispersion se voit accentu par les d fauts d alignement des optiques ainsi que par la pr sence d l ments contaminants L UV est aussi catalyseur du vieillissement des composants par fixation photochimique des films mol culaires et aussi par solarisation Ceci entra ne un obscurcissement progressif des surfaces collectrices de rayonnement que ce soit des optiques ou du des d tecteur s qui va d grader le signal C est justement du point de vue du signal d tecter que l on peut aussi rencontrer des difficult s Les d tecteurs classiques CCD ou aussi CMOS base de Silicium pr sentent une forte maturit technologique mais ont un rendement quantique faible dans l UV Les flux parasites de lumi re visible peuvent s av rer lev s surtout en observation solaire et rajouter un bruit de fond non n gligeable Le r sultat de ces effets cumul s peut tre critique lors d une application d imagerie ou de spectroscop
214. eur de plasma confin dans des structures de champ magn tique tubulaire qui sont ancr es aux pieds des taches solaires de polarit s oppos es qui se forment dans la photosph re A l int rieur de ces structures le plasma est chauff a de tr s hautes temp ratures 1 3x10 K ce qui fait qu elles constituent des intenses sources de rayonnement EUV et X Les boucles coronales peuvent avoir des dur es de vie de l ordre de quelques secondes dans le cas des flares des minutes des heures ou des jours Leur thermique reste donc un myst re et aucun consensus n a pu tre atteint ce sujet Malgr l importance de cette question cause de son lien avec les processus de chauffage coronal 44 la r ponse n est qu moiti comprise ce qui fait que la structure tridimensionelle et la dynamique des boucles sont des domaines de recherche actifs La forme des boucles varie en fonction de la r solution spatiale de l instrument d observation la nouvelle g n ration d imageurs a par exemple permis de reconna tre une structure filamentaire avec des diam tres inf rieurs l arcseconde en dessous de l uniformit observ e grande chelle La dynamique le long du champ de vue vitesse 40 km s peut tre suivie travers les imageurs haute cadence alors que les mouvements verticaux peuvent tre mesur s gr ce aux largissements Doppler des raies observ es par des spectrom tres Le manque de r solution spatiale et
215. eurs de quadrature entre les deux signaux en jouant sur les r glages de la lame quart d onde et des deux polariseurs en sortie du Michelson voir Figure 85 La Figure 86 montre un extrait d acquisition des signaux en quadrature Comme pr vu la fr quence de battement des franges d interf rence est quatre fois sup rieure dans le cas du syst me align en multi r flexion Le contraste des franges d interf rence est calcul par la formule classique Imax gt Imin 98 Imax T Imin C O Imax t Imin sont respectivement les valeurs maximum et minimum du signal mesur Dans le cas de la configuration classique le contraste retrouv est de 74 Une chute de contraste importante se produit lorsque l on aligne le syst me en multi r flexion o le contraste baisse a 30 voir Figure 86 Cet effet est d non seulement au fait d augmenter le nombre de r flexions dans le bras mobile mais aussi et surtout du fait de la perte de r flectivit des miroirs en dehors de leur surface utile 80 C est une des raisons pour lesquelles on s est vu oblig s r duire le nombre de r flexion du syst me 2N 4 La Figure 87 montre la mesure des signaux en quadrature pendant une course nominale et pour les configurations en mono et multi r flexion sans asservissement Le syst me devient plus bruite lorsque la diff rence de marche est d multipli e L erreur rms brute mesur e sur POPD est d environ 5 en monor flexion et d
216. eut tre alors quantifi e comme Ax x x 79 et si l angle 6 est petit il est possible d approximer cos 1 et l quation devient alors Ax sty 80 2 avec 6 exprim en radians Pour la platine de translation le d placement devrait id alement se faire suivant une direction colin aire avec l axe optique et parfaitement orthogonale la surface du miroir Ce type d erreur g om trique syst matique peut tre observ par le syst me de pointage photodiode effet lat ral en suivant le d placement du faisceau de retour pour les courses minimum et maximum de translation du miroir Il ne peut tre minimis qu en suivant une proc dure d alignement rigoureuse pr alable a la mesure ou en le compensant num riquement avec les donn es du pointage Toute correction pendant la mesure via le systeme d asservissement de cette erreur conduira a une estimation inexacte de la diff rence de marche du miroir Le m me sc nario se produit si l axe optique et laxe m canique sont parfaitement colin aires mais s il existe un d salignement entre l interface de liaison m canique miroir platine de translation Pour avoir une id e de l ampleur de cette erreur un d faut d alignement de 7 mrad sur le d placement nominal du miroir r sulte en une erreur de cosinus de 7 nm sur le d placement total mesur et une erreur de 0 05 nm sur chaque position du pas d chantillonnage L erreur dite d Abbe se
217. eux modules de contr le analogique PID SIM960 Modules de contr le analogique PID SIM960 Plage d entr e d erreur 10 V Plage de sortie de consigne 10 V Resolution 1 mV Gain proportionnel 10 10 V V Gain int gral 2x10 10 1 s Gain de d rivation 10 10 s Offset 10 V Pr cision 11 Bruit 8 nv Hz Bande passante 100 kHz Stabilit 200 ppm C Tableau 24 Caract ristiques techniques de la platine de translation PI 405 CG du miroir d chantillonnage M Platine de translation moteur DC Mod le PI M 405 CG Course 50 mm Pas minimum 100 nm R solution th orique 3 5 nm R p tabilit Unidirectionelle 200 nm Bidirectionelle 2 um Vitesse max 0 7 mm s D viations angulaires pendant la course 25 urad Pas de vis 0 5 mm Rapport de r duction 69 12 1 Contr leur Mercury C 863 Tableau 25 Caract ristiques techniques de la source laser He Ne de r f rence Source laser Mod le R 30991 Longueur d onde 632 8 nm Puissance de sortie 5 mW Diam tre du faisceau 0 80 mm Polarisation 500 1 Bruit 1 Divergence du faisceau 1 01 mrad D rive de pointage lt 0 05 168 MAQUETTAGE DU DEMONSTRATEUR Ce chapitre est consacr a la r alisation du banc d monstrateur de la m trologie de instrument FTSUV L ensemble du dispositif exp rimental est pass en revue L architectur
218. fabriqu s soit par gravure m canique soit par litographie holographique le choix de la technique d pend du besoin La spectroscopie UV n cessite l utilisation de r seaux tr s dispersifs avec une densit de traits tr s lev e La gravure par lithographie holographique ne pr sente pas des erreurs de p riodicit ni d imperfection de surface et c est la technique significativement plus utilis e dans ce domaine R seaux holographiques La proc dure de fabrication des r seaux holographiques est illustr e sur la Figure 141 Un film de g latine bichromat e r sine qui polym rise sous l action de la lumi re est d pos sur un substrat poli La couche de r sine est illumin e par une figure d interf rence produite 260 par interaction de deux faisceaux coh rents laser g n ralement courte longueur d onde Le profil des traits r sultat de ce processus est de forme sinuso dale voir Figure 140 la distance entre deux franges sombres ou brillantes est gale au pas qui est li la longueur d onde des laser A langle d incidence a et l indice du milieu o se recouvrent les faisceaux n par la relation 119 a Znsina Apr s exposition le profil des franges d interf rence est r v l par un proc d chimique du mat riel photosensible L paisseur du film est quivalente a la profondeur de traits souhait e et dans une approche simpliste on peut dire que l efficacit du r
219. fets d assombrissement et de variation du signal se soient produit a cause des d p ts de particules de poussi re sur les optiques et les d tecteurs Tout comme pour les variations des conditions environnementales les d rives provenant de la source laser de r f rence qui n ont pas t tudi es ni prises en compte lors du budget d erreur ont pu aussi avoir un impact dans la r p tabilit des mesures Cette ventuelle incertitude peut tre compens e en ajoutant un syst me de stabilisation en fr quence 20 2 INTEGRATION DU SYSTEME DE METROLOGIE DANS L INSTRUMENT IFTSUV L ensemble des l ments passifs du banc peut tre r duit a une structure monolithique voir Figure 131 et Figure 132 La miniaturisation du banc optique peut tre envisag e par deux techniques soit par collage UV colle type NOA 6 soit par adh rence mol culaire La m thode par collage est plus flexible lors de l assemblage mais pr sente l inconv nient d avoir une mauvaise ma trise de l paisseur de colle entre composants L adh rence mol culaire est bas e sur la mise en contact direct de deux surfaces de m me composition qui viennent s assembler par les forces attractives de Van der Waals elle n cessite des techniques de polissage pr cis mais b n fice d une haute reproductibilit et d une faible probabilit de d sadh rence Ces deux proc dures sont a priori compatibles avec les sp cifications du spatial et assurent une pr
220. flexion sp cifi et d autre part de nombreuses incertitudes de natures syst matique et al atoires ont t rep r es Ces contraintes ont principalement t li es aux points suivants 1 Le travail dans un environnement non contr l car les variations d indice de r fraction de Pair la turbulence et les dilatations thermiques de composants optiques et m caniques jouent un r le pr pond rant dans les incertitudes long terme des mesures ce qui entra ne une mauvaise reproductibilit des mesures L imperfection des composants optiques qui a jou un r le important dans les non lin arit s du syst me L efficacit des miroirs utilis s dans la configuration en multi r flexion a restreint le nombre de r flexions L absence d un systeme de tenue opto m canique fait sur mesure car les dimensions et les r glages de la maquette ont introduit de nombreuses incertitudes sur la mesure sous forme d erreur de cosinus et d erreur d Abbe L encombrement de la maquette a aussi emp ch le r glage correct de la configuration en multi r flexion au facteur souhait Le m canisme de translation du miroir qui a t une source de nombreuses erreurs syst matiques dues l entra nement du mouvement par un syst me a vis L absence d un syst me lectronique de contr le fait sur mesure ce qui n a pas permis d atteindre les sp cifications concernant l asservissement angulaire L ensemble de ces points a malheure
221. ge entre la chromosph re et la couronne est sans doute l un des moins bien compris de l atmosph re solaire A cause de la haute temp rature qui r gne dans ces milieux 7 000 1 000 000 k la plus grande partie du rayonnement lectromagn tique provenant de ces couches a une nergie plus lev e 10 100 eV que celle qui provient du rayonnement visible typiquement 1 6 3 eV Ces nergies correspondent aux longueurs d onde entre 750 nm et jusqu en dessous de 70 nm La chromosph re et la couronne sont donc de forts metteurs de rayonnement EUV XUV d o l int r t de les observer dans ces domaines spectraux Des premiers vols de fus es jusqu au lancement de la prochaine mission Solar Orbiter l observation du Soleil dans ce domaine spectral ne peut tre r alis e que depuis l espace la o le rayonnement UV n est plus absorb par notre atmosph re terrestre cf paragraphe 2 1 La mise en service de t lescopes et d instruments spatiaux de plus en plus performants a en grande partie r volutionn les m thodes d tude de notre toile Quelles que unes des missions spatiales les plus importantes d di es l exploration du soleil furent sont et seront Les Satellites OSO Orbiting Solar Observatory Le premier satellite OSO de la s rie de neuf satellites constituant ce programme de la NASA fut lanc en Mars 1962 voir Figure 10 L objectif scientifique principal de cette mission tait l observation dans les domain
222. gion active dans la raie d mission FelX 17 1 nm T 6 3x10 K par AIA SDO Il s agit d normes structures tr s chaudes de plasma confin le long des lignes de champs mergentes des r gions photosph riques polarit s oppos s Au centre trou coronal observ dans la raie FeXII 19 3 nm T 1 2x10 K Les trous sont des r gions plus froides sombres et peu denses dans la couronne solaire Il s agit d une structure dont les lignes de champ sont ouvertes vers le milieu interplan taire ce qui favorise l vaporation de la mati re coronale dans le vent solaire A droite embrillancements flares observ es dans la r gion active AR1415 par AIA SDO dans la raie Hell 30 4 nm T 50 000 k source SDO NASA 1 1 2 5 Le vent solaire Comme la temp rature est extr mement lev e dans la couronne la vitesse d agitation des particules est si grande que celles ci peuvent chapper l attraction du Soleil voir Figure 7 M me en p riode de calme une grande quantit d lectrons de protons et d autres particules nerg tiques quittent le soleil sous forme de plasma pour tre insuffl es dans le milieu interplan taire sous forme d un flux continu de particules appel vent solaire Notre toile perd environ 1x10 kg de mati re par seconde sous forme de vent solaire Dans les conditions de Soleil calme on peut distinguer deux r gimes dynamiques de vent solaire diff rents un vent solaire lent issu des r
223. gne sur l axe X sont Vin 0 5 V et Vin 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 196 Figure 97 Courbes de calibration de la r ponse lin aire des consignes sur l axe Y de des pi zo actionneurs PI S 330 L Les plages de consignes sur l axe Y sont Vin 0 5 V et Vin 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 196 Figure 98 Cycle d hyst r sis mesur e sur l axe X pour une plage de positions de 100 um 50 um et 25 um en sortie du d tecteur figures de haut en bas respectivement et pour les configurations monor flexion gauche et multi r flexion MR droite 198 Figure 99 Cycle d hyst r sis mesur e sur l axe Y pour une plage de positions de 100 um 50 um et 25 um en sortie du d tecteur figures de haut en bas respectivement et pour les configurations monor flexion gauche et multi r flexion MR droite 199 Figure 100 Courbes de diaphonie mesur e sur l axe Y Les plages de consignes sur l axe X sont Vin 0 5 V et Vin 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson a multi r flexions avec 2N 4 201 Figure 101 Courbes de diaphonie mesur e sur l axe X Les plages de consignes sur Taxe X sont Vin 0 5 V et Vin 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 201 Figure 102 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant de caract riser le syst
224. gur de fa on avoir un t lescope afocal en entr e OAP 1 et OAP 2 qui d livre un faisceau parall le dans le bloc interf rom trique puis un troisi me parabolo de en sortie de FTSUV pour l obtention de l image par focalisation sur le d tecteur 5 2 2 Qualit de l image La qualit de l image est limit e par les effets de diffraction et des aberrations g om triques L avantage d une configuration hors axe telle que d crite pr c demment est d viter Pobscuration au centre de l image L utilisation de miroirs de surface parabolique hors axe introduit cependant des aberrations Plusieurs crit res sont utilis s pour tablir une qualit d image acceptable e Crit re de Rayleigh Ce crit re tabli que l erreur du front d onde introduit par les surfaces optiques ne doit pas d passer une valeur peak to valley a de ri P V e Crit re de Mar chal Ce crit re exprime les tol rances sur l erreur du front d onde en termes de rms ce qui correspond a RMS e Condition de Danjon Couder La tache g om trique doit tre l int rieur de la tache de diffraction et l erreur sur la d viation du front d onde doit v rifier le crit re de Rayleigh e Crit re de Strehl Ce rapport mesure la fraction de pertes d intensit dans le pic de diffraction de Airy en fonction des erreurs du front d onde et il est utilis pour d finir le niveau maximum acceptable d aberration du front d onde fix
225. gure 11 observ e au dessus du disque solaire lors des clipses Le rayonnement VUV continu 150 200 nm et les raies H et K du Magnesium ionis et Lyman alpha de l Hydrog ne cf paragraphe 1 2 1 permettent galement de sonder la chromosph re La spectroscopie et l imagerie dans ces diff rentes raies r v lent des nouvelles structures chromosph riques Les taches qui sont aussi visibles dans la chromosph re apparaissent entour es de plages faculaires prolongements brillants des facules de la photosph re travers lesquelles est observable l activit magn tique A grande chelle on peut distinguer une structure cellulaire le r seau chromosph rique qui est un ensemble de points brillants se regroupant principalement sur les vortex intenses en p riph rie des supergranules voir Figure 3 C est dans la chromosph re que la naissance de quelques unes des principales structures dynamiques du Soleil telles que les spicules ou les protub rances aussi appel s filaments quand ils sont observ s dans le disque est identifi e Les spicules bordent le r seau chromosph rique voir Figure 3 Ce sont des structures verticales ject es la p riph rie des supergranules de la photosph re sous jacente Plus de 700 000 de spicules sont actives en permanence dans le Soleil Ces structures traversent la chromosph re et mergent dans la couronne des vitesses de l ordre de 25 km s telles que des petits Vases c
226. gure 139 Illustration des diff rentes zones dans un r seau de diffraction 259 Figure 140 Fabrication de r seaux holographiques et forme des r seaux sinuso daux grav s image obtenue par microscope de forces atomioues cnn cono n nn nana rana rana 262 Figure 141 Proc dure de fabrication de r seaux de diffraction bolographbioues essseeeeeeeees 262 21 LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 Donn es num riques de r f rence sur le Soleil 37 Tableau 2 Cahier des charges scientifique d crit en section 1 3 1 et section 1 3 2 60 Tableau 3 Classification des diff rents postes de brut 81 Tableau 4 Ensemble des param tres qui d finissent les optiques du bloc FTSUV form par deux r seaux de diffraction R1 et R2 et quatre miroirs plans de repli M M M et Mi 93 Tableau 5 Ensemble des param tres d chantillonnage de l FTSUV 96 Tableau 6 Caract ristiques du t lescope l entr e de l FTSUV constitu des deux paraboles hors axe e de 97 Tableau 7 Caract ristiques des optiques du syst me d imagerie form par l ensemble des paraboles hors axe OAP 1 OAP2 et OAP J EE 97 Tableau 8 Ensemble des param tres d finissant les sp cifications d imagerie de I FTSUV 98 Tableau 9 R sultats obtenus dans le diagramme de spot de la Figure 36 a et la Figure 37 L ensemble des valeurs de la tache image g om trique est contenue dans le diam tre d Airy dairy 13 u
227. he understanding of the dynamics of the plasma must be also based on the Doppler analysis of the observed scene That implies the ability to combine time resolved spectroscopic and imaging technologies Moreover space is the place to observe the far UV corona and that implies a real technical challenge Despite excellent advances in technology and instrumentation the study of the Sun in the far UVisa fairly recent science To date no solar space mission could provide a combined and simultaneous diagnostic of both observables in the spectral range of interest It is because of these expectations that the study of a new device called FTSUV the acronym of Imaging Fourier Transform Spectrometer working in the far UV is presented in this research Despite the lack of opportunity missions on the near horizon these thesis works have been conducted thanks to the R amp D funding R S11 OT 0004 040 from the CNES concerning either the definition of an imaging Fourier transform spectrometer in the far UV or the realization of a laboratory metrology demonstrator that is the cornerstone of the instruments feasibility Thus starting from the definition of the scientific requirements that lead to the technical choice the first objective of this study is to develop a preliminary instrumental model of the IFTSUV The overall technical and design specifications are based in theoreticalcalculations that have been expressed in terms of spectral accuracy image quality
228. homodyne sous syst me d chantillonnage pour la mesure de la ddm et d un d flectom tre sous syst me d alignement synchrone pour le maintien du tip tilt introduit par le d placement du miroir M Le miroir de balayage est en configuration de multi r flexion avec un miroir fixe pour amplifier les d viations angulaires et d multiplier la diff rence de marche en sortie du syst me FOI isolateur de Faraday P polariseur BS1 et BS2 cubes s parateurs F lentille de focalisation LEPD photodiode lateral effect PBS cube s parateur de polarisation A 4 lames de retard quart d onde Mref miroir plan du bras fixe de l interf rom tre PD1 et PD2 photodiodes oooocccccnccccnnncccnnnncccco 130 Figure 55 Photographie de l ensemble du banc d monstrateur de la m trologie de l instrument ME TSU EE TE 131 Figure 56 Illustration de l ensemble des rotations parasites Venant perturber le miroir d chantillonnage lors de son d placement 133 Figure 57 Illustration de la formation de l image du spot laser de pointage dans le plan focal du ee lge Ee Le se een a ete dedans ane 133 Figure 58 A gauche sch ma de la configuration en multi r flexion Le nombre de r flexions N pour que la condition de retour inverse du faisceau soit satisfaite d pend de la relation entre l angle d incidence du faisceau a et la valeur du coin d angle 6 entre les deux miroirs Le param tre N est le param tre de r g
229. i dure en moyenne 77 ans l activit du Soleil est en forte corr lation avec l intensit de son rayonnement voir Figure 2 et Figure 14 Le fait que la zone de convection est opaque rend les observations des couches internes du Soleil inaccessible Le seul moyen d observation 38 indirecte permettant d ausculter le c ur de notre toile est l h liosismologie Cette branche r cente de la physique solaire tudie les modes propres de r sonance caract ristiques par exemple d oscillations issues des mouvements de turbulence convective se propageant dans l atmosph re Il s agit d une science en fulgurante volution qui a permis de sortir de la mod lisation purement th orique dans laquelle sombrait la physique de la structure interne du Soleil 1 1 2 L atmosphere du Soleil Tout comme pour notre Terre l atmosph re du Soleil a une structure stratifi e voir Figure 1 et Figure 8 L atmosphere solaire comporte quatre r gions la photosph re la chromosph re la couronne et la r gion de transition entre les deux L h liosph re est domin e par les courants de vent solaire et le champ magn tique qu il entraine avec lui Chacune de ces couches poss de son propre caract re thermodynamique et abrite un vaste bestiaire de structures et ph nom nes issus de l interaction avec le magn tisme solaire voir Figure 8 et Figure 12 1 1 2 1 La photosph re La photosph re paisse de 500 km constitue la
230. iables continues x et o ont t remplac es par n x et k90 et N est le nombre de points chantillonn s Le th or me Shannon Nyquist Le choix du pas x doit se faire en tenant compte du th or me de Shannon Nyquist qui tabli la condition d chantillonnage 108 x 20max 252 Ceci revient dire que le signal doit tre chantillonn une fr quence deux fois sup rieure la plus haute fr quence contenue dans le spectre afin d viter tout effet de recouvrement ou aliasing causant l apparition d artefacts La grille d chantillonnage peut aussi tre d finie en fonction de l intervalle d chantillonnage restreint Ao oz 01 253 QUELQUES GENERALITES SUR LES RESEAUX DE DIFFRACTION EN REFLEXION Un r seau de diffraction est un composant optique constitu en r flexion d un trac de facettes r fl chissantes r guli rement espac es Lorsque la p riode spatiale distance entre les traits est de l ordre de grandeur de la longueur d onde du rayonnement incident celui ci est dispers suivant diff rentes directions Le faisceau lumineux incident est diffract en fonction de la longueur d onde de la lumi re d clairement et de la p riodicit du r seau voir Figure 135 Gr ce cette propri t les r seaux diffraction sont des l ments optiques d importance primordiale dans l analyse spectrale d une radiation DEFINITIONS Les grandeurs caract ristiques d un
231. ibrations ou autres facteurs environnementaux Dans un syst me optique on trouve g n ralement un m lange des deux classes Le tol rancement est le processus par lequel les effets de ces d fauts sont pris en consid ration Le crit re de tol rancement utilis est les performances de l instrument sont consid r es suffisantes lorsque dans 90 des cas le diam tre de la tache image est inf rieur ou gal la taille du pixel Les aberrations r siduelles du polissage combin es celles qui seront introduites lors de l alignement seront d cisives et d finiront la qualit image finale ce stade tant donn l absence des donn es de tenue m canique essentielles on ne peut pas conclure sur la qualit d image attendue Une tude de tol rancement prenant en compte les l ments de tenue opto m canique et les alignements du syst me trois paraboles devrait tre r alis e dans le futur La structure envisag e sera en Carbone 11 2 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT Pour atteindre les valeurs de SNR pr vues tout en ayant une certaine marge d erreur les sp cifications sur le pas d chantillonnage et l alignement angulaire sont aussi exigeantes le domaine spectral tudi approche la pr cision sur le pas l chelle nanom trique et sera sensible des d viations angulaires de l ordre du micro radian Il r v le galement un point dur li la qualit des surfaces optiques Le calcul des autres postes o le ch
232. ie VUV Cependant l volution technologique permet petit petit de d passer constamment les limites et de prendre la main sur chaque nouveau d fi observationnel Les processus d usinage de substrats deviennent de plus en plus pur s permettant de traiter les surfaces de mat riaux d application spatiale dont le polissage s av rait difficile par les m thodes traditionnelles Depuis les ann es 70 la ma trise des milieux multi couches de haute pr cision a permis d am liorer les caract ristiques des optiques VUV accroissement du pouvoir r flecteur augmentation de la dur e de vie des performances et am lioration de la s lectivit spectrale tout en permettant de passer d une incidence rasante une incidence normale ce qui a r duit consid rablement l encombrement des t lescopes et accro tre leur s lectivit spectrale Les nouvelles techniques de gravure de r seaux holographiques c f ANNEXE B permettent de produire des motifs tr s haute r solution gt 5000 traits mm et sur des larges substrats gt 400 mm pour r pondre des applications spectroscopiques de plus en plus performantes L optimisation du rendement quantique des d tecteurs VUV est aussi un sujet de recherche active A Penquer 2010 Le d veloppement de CCD amincis et clair s par leur face arri re permet d obtenir des QE 65 efficacit quantique ou Quantum Efficiency en anglais de l ordre de 10 20 dans la plage de 100 400 nm
233. ignaux en parfaite quadrature de phase gauche et le r sultat de la d modulation de la phase droite Signal mesur en monor flexion Sort mesur en MR HI al L A 1 A j os 1 0 500 0 502 0 504 0 506 0 508 0 502 temps s temps s Signal mesur en monor flexion Zenn y Signal mesur en MA T AA temps s Figure 60 Signaux en quadrature mesur s lors des tests du d monstrateur A gauche les signaux ont t mesur s pour une configuration en monor flexion droite les mesures pour les signaux en multi r flexion avec N 4 Le sens du d placement peut tre d termin en fonction de la diff rence de phase entre les deux signaux qui vaut 77 2 quand le miroir d chantillonnage se rapproche de la source et 7 2 quand il s loigne de la source 137 14 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE 14 1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 14 1 1 Les pi zo actionneurs La pi zo lectricit est l aptitude de certains mat riaux cristallins produire une charge lectrique proportionnelle a la contrainte m canique qui les d forme C est l effet pi zo lectrique direct et ce ph nom ne est r versible l application d un champ lectrique externe provoque une d formation m canique effet pi zo lectrique inverse De nombreuses observations identifiant les propri t s de ce ph nom ne sur certains min raux furent d crites par Linn Aepinus Ha y et Becquerel entre la fin du XV
234. il ne savait pas ce que c est qu un lance poulet il a toujours t disponible pour me donner de bons conseils techniques que j ai toujours beaucoup appr ci Je voudrais remercier de fa on g n rale l exp rience professionnelle mais aussi humaine que j ai pu vivre au sein d un laboratoire comme l Institut d Astrophysique Spatiale d Orsay Je remercie plus particuli rement l ensemble des personnes qui conforment l quipe de physique solaire et stellaire de l IAS pour leur accueil chaleureux ainsi que leur soutien Notamment Patrick B et Fred B pour leur bonhomie et leurs anecdotes sur leur exp rience a la Laguna qui m ont toujours rapproch de mon petit pays Mais aussi de m avoir fait confiance en m avangant les tunes pour le matos de la manip A Karine B Fred A et Susanna P pour leur humour Aux nouveaux arriv s Aur lien C et Carlos D qui ont toujours su me faire parvenir de tr s bons conseils A mes tres chers compagnons de bureau la brillante et ensoleill e Chlo G Romain M pour ses aventures et sa sagesse et Vincent J pour ses anecdotes rigolotes et ses tours de magie Aux th sards coll gues de m tier Julian R Olivier D et Vincent B Antoine M pour les th rapies de groupe instrumentaliste et l ensemble des discussions techniques qui m ont bien inspir pour avancer vous tes trop forts Je voudrais faire coucou aussi la belle Anouck O et autres th sards avec lesquels
235. ilisation se voit confront e a quelques limitations pratiques qui sont nonc es par la suite Premi rement la r solution d un tel d tecteur d pend de la taille de sa surface de l intensit du spot du bruit du d tecteur et de la bande passante du circuit de d tection D une part les performances du capteur sont souvent sp cifi es dans la plage de lin arit repr sent e par les 64 de surface de d tection L utilisation du capteur sera donc restreinte aux dimensions de cet espace D autre part ces d tecteurs n effectuent pas de discrimination spatiale et la mesure peut se voir facilement perturb e par la lumi re ambiante et les reflets ind sirables la surface de la photodiode tant elle m me semi r fl chissante Un bafflage correct et l utilisation d optiques avec un bon traitement anti reflet peuvent permettre de minimiser les effets de lumi re parasite sur les performances de mesure du capteur Ensuite 158 les principales sources de bruit de courant de ces capteurs de nature quantique peuvent avoir des origines diverses Le bruit quantique qui d pend de la nature statistique de la production de paires lectrons trou et qui suit une loi de Poisson Le courant d obscurite qui est le courant des charges en absence d illumination Le courant thermique Johnson due la partie r sistive de la r sistance en s rie de la jonction La mobilit diminue lorsque la temp rature augmente car l agit
236. illard J P et Appourchaux T Metrology for an imaging Fourier transform spectrometer working in the far UV IFTSUV Published in Proceedings Volume 8169 Optical Fabrication Testing and Metrology IV 2011 Ruiz de Galarreta Fanjul C Bouzit M Appourchaux A Dassas K Viale T Philippon A Vial J C et Maillard J P Metrology for a solar imaging Fourier 265 transform spectrometer working in the far UV from the instrumental concept to the first experimental results Published in Proceedings Volume 8450 Modern Technologies in Space and Ground based Telescopes and Instrumentation Il 2012 Schuehle U Solar Ultraviolet measurements of Ultraviolet radiation SUMER instrument on SOHO design performance predictions and calibration aspects Proc SPIE X Ray and Ultraviolet spectroscopy and polarimetry Vol 2283 no 42 1994 Sellar R G and Boreman D G Comparison of relative signal to noise ratios of different classes of imaging spectrometer Applied Optics Vol 44 No 9 2005 Taubin G Estimation of planar curves surfaces and nonplanar space curves defined by implicit equations with applications to edge and range image segmentation IEE Trans PAMI Volume 13 Issue 11 pp 7775 7739 1991 Teriaca L Andretta V Auch re F Brown C M Buchlin E Cauzzi G Culhane J L Curdt W Davila J M del Zanna G Doschek G A Fineschi S Fludra A Gallagher P T Green L H
237. illonnage Figure 75 V rification des alignements optiques au bras FARO 176 17 4 INTERFACES ELECTRONIQUES ET DE CONTROLE 17 4 1 Entr es de d tection La photodiode ateral effect permet de mesurer la position du spot laser sur la surface de d tection Pour cela on doit r cup rer les trois entr es de mesure de tension mesure horizontale en volts mesure verticale en volts et puissance laser mW Le d tecteur poss de une bo te lectronique d di e Les masses des mesures Horizontales et Verticales sont communes L alimentation se fait sur le secteur un tore lectromagn tique ayant t rajout afin de r duire le bruit Pendant les tests un connecteur SUB D9 m le permet de relier la sortie du d tecteur aux entr es d acquisition de la carte Figure 79 et Figure 77 Pour fermer la boucle de r gulation chaque sortie de d tection est re cabl e en entr e du module analogique P D SIM960 correspondant voir Figure 78 La sortie d erreur du r gulateur sont ensuite reli es en entr e de la carte d acquisition Les deux photodiodes en Si Newport 818 SL mesurent une intensit lumineuse de fr quence modul e par le d placement du miroir interf rom trique Elles sont aliment es en mode photoconducteur une source de tension externe polarise la photodiode en inverse le courant proportionnel au flux lumineux est converti en tension par une r sistance de charge R 12 kQ voir Figure 76 choisi
238. imitera la vitesse d chantillonnage du syst me v en fonction des capacit s de la carte d acquisition et du gain de multi r flexion 2N 157 ec 84 va mu Je gt Vmax an lech Si La r solution du dispositif se verra aussi limit e du point de vue lectronique par l erreur de num risation Pour chaque chantillon de phase la r solution sera de 1 2 Zumberge et al 2004 D tant gal au nombre de bits de la carte d acquisition Un filtrage via software d acquisition permettra de rejeter les perturbations de basse fr quence r seau lumi re ambiante Finalement la qualit des optiques devient aussi un param tre essentiel quand on envisage d avoir un interf rom tre pr cis En effet les surfaces des miroirs ne doivent pas d former les surfaces d onde Dans une application sym trique comme celle qui nous concerne on peut consid rer que ces effets sont compens s apr s l aller retour sur chacun des bras En faisant l hypoth se de d fauts d corr l s d un composant optique l autre ces erreurs peuvent id alement se sommer de fa on quadratique Dans le cas pire o l onde plane est amen e passer plusieurs fois par la m me surface mais pas au m me endroit on peut aussi consid rer que les d fauts aux passages de la m me surface sont d corr l s Le d faut maximal acceptable de ces surfaces est alors d termin l aide du crit re de Rayleigh Ce dernier indique que
239. ion Performances de la configuration multi r flexion R glage a 7 000 7 000 Erreur th orique de r glage 0 003 Gain d amplification 4 Diametre des miroirs 50 4 mm Efficacit th orique des miroirs 999 Qualit de surface th orique des miroirs N20 p v Pr cision optique th orique N4 158 2 nm Stabilisation angulaire mesur e 5 7 0 9 urad 234 20 CONCLUSIONS 20 1 LIMITATIONS DES PERFORMANCES DU DEMONSTRATEUR La plupart des problemes rencontr s et d velopp s ont t malheureusement soumis aux d lais et disponibilit s des composants standards disponibles dans le march Une solution faite sur mesure adapt e au besoin est propos e dans le paragraphe 20 2 20 1 1 L environnement L absence de moyens de contr le et ou de r gulation des param tres environnementaux pression temp rature humidit turbulence de Pair constitue une premiere source d incertitude dans le syst me Les variations de l indice de r fraction de Pair et les dilatations des composants optiques et m caniques notamment au niveau des m canismes de r glage des montures des composants sont l origine de mauvaises estimations de la diff rence de marche optique mesur e cf paragraphe 15 1 1 et paragraphe 15 2 1 Cet effet a t en partie att nu par l ajout d un capot Cependant bien que les valeurs mesur es sur ces variations long terme soient en accord avec les sp cifications du syst me 0 38 nm s
240. ique externe les domaines dont la polarisation est voisine de celle du champ vont cro tre au d triment des domaines moins favorablement orient s voir Figure 62 Ces d formations sont l origine du ph nom ne pi zo lectrique inverse et font donc que le mat riel change de dimension proportionnellement l intensit du champ appliqu Des mod les simples d crivent la d formation du mat riel pi zo lectrique A l chelle microscopique locale le d placement d une c ramique pi zo d pend essentiellement du 138 champ lectrique appliqu et peut tre d crit par la relation AL EL E dj jLo 44 avec AL tant la variation de longueur en m e la variation de longueur relative Ly la longueur de la c ramique en m E le champ lectrique en V m et d sont les coefficients du tenseur pi zo lectrique en m V qui traduit la proportionnalit entre la contrainte exerc e sur le mat riau et l induction lectrique champ nul ou constant Du point de vue macroscopique un actuateur pi zo peut tre repr sent comme un ensemble de syst mes ressort et masse mis en parall le La force maximale Fmax en N pouvant tre appliqu e par le composant est alors fonction de sa raideur kr en N m et de sa plus grande longueur de d formation AL en mm selon la formule Fmax krALo 45 La fr quence de r sonnance th orique de l actionneur vide non charg et fix fermement une masse consid rable
241. iques ces mod les relativement simples ne sont malheureusement pas capables 47 de reproduire l ensemble des ph nom nes qui se d veloppent en surface notamment ceux qui concernent les diff rents processus qui dominent la dynamique des structures chromosph riques et coronales Les m canismes de formation et disparition parfois sous forme d v nements hautement violents tels que les ruptions ou les CME mettent en vidence le comportement de la mati re en pr sence des forts champs magn tiques qui r gnent dans le Soleil De m me les temp ratures extr mes de la chromosph re et de la couronne sont compl tement d cal es par rapport ce qui serait attendu de ces mod les physiques un m canisme de chauffage issu d une source non rayonnante s av re donc n cessaire Cette source d nergie ainsi que la nature structur e de la chromosphere et de la couronne sont le r sultat d une forte d pendance avec le champ magn tique du Soleil L existence de la plupart des structures dans la haute atmosph re du Soleil boucles spicules est hautement corr l e aux r gions photosph riques pr sentant un fort champ magn tique et ou au cycle d activit solaire Bien que mal compris les m canismes de production et de transport d nergie de la chromosph re jusqu la couronne seraient en partie assur s par les structures magn tiques qui connectent la photosph re la couronne la dissipation d ondes g n r es par la
242. is aussi la r solution spectrale selon la relation Maillard et al 2012 R oe x o a est T l angle du faisceau incident sur le r seau 6 est la r solution angulaire donn e par la fente WG est la largeur du r seau et Dr le diam tre du t lescope La dispersion du spectre est assur e par une seule r flexion sur un r seau de diffraction concave La plage de longueur d onde est s lectionn e par la rotation d un miroir plan de balayage en incidence rasante La focale du syst me peut tre corrig e moyennant un m canisme de r glage au niveau de chacun des d tecteurs EOS R seau fente d entr e OAP en SS AR PES miroir e cylindrique d tecteur Figure 52 Sch ma optique d un spectro imageur SHS Un r seau de diffraction est plac apr s la fente d entr e de telle sorte que le faisceau collimat incident est divis suivant les ordres de diffraction 1 Deux miroirs de repli dans chacune de ces deux directions sont inclin s selon l angle de Littrow Oo d finit par l quation 2o sin 6 sin y o l angle y 2 tano d pend du nombre d onde de Littrow oo Damiani et al 2007 Les deux front d onde sont recombin s au niveau du r seau et produisent une figure d interf rence spatiale en sortie miroir parabolique hors axe OAP dont la diff rence de marche varie selon x avec une fr quence fy 4 9 ol tan 6 Pour faire de l imagerie il faut rajouter un miroir cylindrique
243. isation OAP 3 La configuration hors axe de cette parabole situe le plan de d tection 50 179 mm de l axe optique le d tecteur devra tre r gl a un angle de 6 836 par rapport l axe optique voir Figure 41 Le d tecteur devra non seulement tre adapt au format demand mais aussi avoir un taux d acquisition suffisant La technologie sCMOS Fairchild serait particuli rement bien adapt e proposant un d tecteur de 572 x 512 pixels de 6 5 um de taille qui binn s pourrait atteindre une cadence de lecture de 440 images s Une version amincie du d tecteur ferait monter son efficacit quantique QE jusqu 75 apr s traitement UV Le mod le CCD 47 10 e2V serait une autre possibilit potentiellement envisageable Feautrier et al 2008 101 d tecteur 50 179 mm 421 610 nn GE mE Figure 41 Detail de la position du d tecteur en sortie du syst me 8 3 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT Cette partie concerne l valuation des diff rents postes d erreur d cris dans la Figure 29 contribuant aux pertes de rapport signal sur bruit Comme d crit dans le chapitre les principaux postes de pertes tudier sont L observation d une source tendue Le bruit de photons La pr cision lin aire sur le pas d chantillonnage L alignement interf rom trique La qualit des surfaces optiques L efficacit des r seaux 8 3 1 Modulation du signal 8 3 1 6 Effets d une source
244. issement de la charge utile la temp rature souhait e 9 3 4 Pointage et stabilit Un systeme de pointage interne stabilis contre la gigue du satellite s av re n cessaire pour viser en permanence la r gion du Soleil observer maintenir la stabilisation de l image sur chaque pixel et atteindre la r solution angulaire d sir e 1 pendant le temps d int gration soit 70 s L asservissement de la stabilisation de l image et du guidage du satellite peut tre r alis moyennant une lunette guide cellule a quatre quadrants et un syst me en boucle ferm e sur des pi zo actuateurs agissant sur le miroir primaire OAP 1 Le pointage ne sera pas assur par le satellite tout seul un dialogue entre la plateforme et la charge utile s av re n cessaire pour am liorer la pr cision 9 3 5 Contamination Les effets lies la contamination sont d autant plus importants sur des instruments VUV d di s aux observations du Soleil La diffusion de lumi re parasite est sensible la contamination particulaire L obscurcissement des surfaces optiques par adsorption et ou photo polym risation des contaminants mol culaires diminue consid rablement le rendement du syst me voir Figure 49 Afin d viter les effets de contamination qui se produiront au cours de mission des pr cautions peuvent tre prises Les trois tapes principales tenir en compte sont la caract risation du besoin de propret en fonction de la per
245. ition au vol de l interf rogramme impose un systeme de mesure sur la position de d placement du miroir cependant des erreurs sur la pr cision lin aire de cette mesure peuvent se produire e L alignement interf rom trique les d viations angulaires du miroir de balayage pendant l chantillonnage sont occasionn es par les d fauts de guidage du moteur de la platine de translation Ces d fauts dynamiques introduisent des impr cisions sur la diff rence de marche optique 7 3 4 Qualit des surfaces optiques Les d fauts de plan it des surfaces optiques vont introduire des d viations du front d onde recombin en sortie de l interf rom tre qui vont aussi contribuer a la d gradation de l efficacit se traduisant par des pertes de modulation du signal De la m me fa on que pour 85 les surfaces des miroirs plans le nombre de traits et l efficacit des r seaux joueront un r le important dans le budget SNR La r alisation de r seaux adapt s au besoin constitue un point dur technique qui sera d crit qualitativement par la suite 7 4 POINTS DURS 7 4 1 Effets de polarisation L efficacit des r seaux peut devenir d pendante de la polarisation de la lumi re incidente voir ANNEXE B La plupart des r seaux utilis s dans le domaine UV ont de petites profondeurs de pas et sont utilis s a des angles d incidence faibles ce qui permet de r duire nettement ces effets Les courbes de la Figure 30 et la Figur
246. ivalente de Bruit PEB en fran ais est une figure de m rite pour l estimation du bruit sur un photo d tecteur Cette grandeur repr sente la quantit d nergie de la lumi re incidente sur le d tecteur capable de g n rer un photo courant gal celui du bruit Itotal 72 NEP Ra o R est la responsivit du d tecteur en AW Par l lection de composants bas bruit tels que les photodiodes 878 SL de chez Newport voir caract ristiques techniques sur le Tableau 21 et la Figure 67 ce ph nom ne devra tre caract ris mais pourra s rement tre n glig L lectronique d acquisition ajoute aussi du bruit mais surtout elle fixe les valeurs des gains et des offsets pr sents dans la relation 71 et qui devront donc tre talonn s D autres contributions aux non lin arit s sont dues aux variations de lumi re ambiante ainsi qu l instabilit de la source de r f rence qui affecte la composante continue du signal L isolement correct du banc et le bafflage des capteurs seront des mesures prendre en compte Un sch ma quatre d tecteurs en sortie serait insensible aux d rives de la puissance du laser Par volont de simplicit sur le montage cette solution na pas t favoris e Finalement les erreurs issues des d fauts d alignement qu ils soient dynamiques cause du syst me de translation du miroir ou statiques participent aussi au d calage des signaux de la quadrature parfaite D
247. l cart type entre le front d onde r el et la surface d onde id ale doit tre inf rieur 4 4 Ayari Matallah 2011 On peut compter neuf transmissions et trois r flexions dans le bras de r f rence et neuf transmissions plus 2N 1 r flexions dans le bras mobile Dans le cas du bras de r f rence le d faut de plan it est d environ 4 7 Ce sera donc la voie du bras mobile qui a le plus grand nombre de r flexions elle sera la plus contraignante et viendra imposer les sp cifications 15 2 SOUS SYSTEME D ALIGNEMENT SYNCHRONE 15 2 1 Effets environnementaux Bien que moins importants que dans le cas du sous systeme d chantillonnage les variations des param tres environnementaux peuvent aussi gener le bon fonctionnement du syst me d alignement synchrone Les vibrations et les turbulences de l air constitueront une source de bruit Les dilatations thermiques des mat riaux entraineront des effets de d rive de pointage sur le long terme Le bruit thermique sur la photodiode a effet lat ral sera discut dans le paragraphe 15 2 2 L ensemble de ces effets sera a caract riser lors de l exp rience Les actionneurs pi zo lectriques sont capables de fonctionner dans une large gamme de temp rature et ne pr sentent pas d instabilit s ou des effets dans les plages de travail 15 2 2 Systeme de pointage le d tecteur de position PSD Les photodiodes a effet lat ral sont des d tecteurs tr s performants cependant leur ut
248. l adioheliograp __ Radiohetiograp Electronic ET Nan ay langay 6 temperature K ale D SOHO EIT Emperat x ez g We D Oo 1million ENG mn 2 n SE O OO Solar wind Et Di Hen WM F esen KW 304nm Ts Di 5 ae E nt 3 100000 Ya a SOHO EIT bi yn o e 2 E Lien a 10000 2 5 K La i Enti lt Ss Radiohetiograph A Nobeyama ee Transition N 8 ae Chromosphere Region Corona 2 5 T T T T D E d 1000 10000 100000 1 million 10 million 100 million wae eg 3nm A o altitude km 2 Spectrohetiograph Meudon Figure 8 D pendance de la temp rature avec la distance la surface solaire L atmosph re du Soleil est caract ris e par un fort gradient de temp rature au dessus de la photosph re o l on passe de quelques milliers de Kelvin des millions de Kelvin en un distance de quelques kilom tres Les couches atmosph riques concern es sont la haute chromosph re la couronne et la r gion de transition situ e entre les deux La spectroscopie permet de sonder l atmosph re en fonction des diff rentes altitudes de formation ou d absorption des raies du spectre solaire Le long de ces couches on retrouve le vaste univers de structures qui peuplent le soleil Des taches solaires jusqu aux ruptions coronales l imagerie s av re un outil aussi bien indispensable la mise en contexte et caract risation de la morphologie et de la dynamique de ces ph nom nes Millard 2005 15 Jul 2002 20 04
249. l de r f rence ou consigne e t erreur l entr e du r gulateur C s fonction de transfert du r gulateur KP TI KD coefficients Proportionnel Int grateur et D rivateur du correcteur PID u t commande en sortie du r gulateur G s fonction de transfert du proc d y t sortie de mesure du proc d variable a ei Ee En EE 148 Figure 65 Les param tres d un r gulateur sont synth tis s afin de r pondre au cahier des charges du proc d qui est souvent exprim en fonction de la rapidit temps de mont e et temps d tablissement du r gime stationnaire et la pr cision d passement et erreur statique avec lesquelles la consigne peut tre suivie La robustesse ou adaptabilit du r gulateur face aux changements de dynamique du proc d est un param tre aussi important et la stabilit une caract ristique indispensable source LT Te Te EE 148 Figure 66 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant de simuler les effets de non lin arit s dans les signaux en quadrature et d ajuster le signal a une ellipse Ici Ax 3 5 Ay 5 x0 1 5 90 0 et OO 20 id arrete detente deer EES ge REESEN dE 154 Figure 67 Courbes caract ristiques des photodiodes 818 SL fournies par Newport s s s 154 Figure 68 Illustration du principe de l erreur en cosinus quand il existe un d salignement entre les axes optiques et m caniques la distance mesur e sera toujours inf rieure a la distance r el
250. l enregistr sera augment Le signal brut doit donc tre pr filtr avant d tre trait de fa on pouvoir s parer les composantes du bruit du signal utile Un filtre lectronique est plac apr s le circuit de pr amplification du d tecteur Il doit tre con u de fa on admettre une bande passante suffisamment large qui n ait pas une grande incidence sur la phase de l interferogramme Son cut off coincide avec la limite de Nyquist 8 3 2 7 Bruit de num risation Pour un signal num ris l amplitude de chaque chantillon est attribu e un nombre limit de niveaux appel champ dynamique D 2 par un processus de troncature ou arrondi Le convertisseur ADC introduit des erreurs rms sur l intensit du signal num ris qui vont se traduire par l apparition de fr quences incorrectes dans le spectre L erreur quadratique peut tre exprim e en fonction de la valeur du bit de moindre poids BMP comme tant 1 2 BMP Brault 1985 Damiani 2006 et si Max repr sente la valeur maximale convertible par le convertisseur on peut crire 8 Max Max BMP 3Oxa c 30 Le bruit de num risation peut alors tre exprim en fonction de l intensit maximale pouvant tre convertie I Ox adc Ta pm 111 8 3 2 8 Bruit de d rive Ce type de bruit concerne les offsets sur la phase tout moment l image subit la m me erreur d OPD L objectif en terme de stabilit dimensionnelle des diff ren
251. la Ben een ne ul de rte entretiens ee 224 Figure 123 De haut en bas mesure de l erreur entre la diff rence de marche mesur e et la droite d ajustement id ale mesure du signal d erreur sur l axe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en multi r flexion et avec boucle de Ee IEN 225 Figure 124 De haut en bas erreur mesur e sur la ddm spectre de l erreur mesur e sur la ddm ddm filtr e par un filtre diff rence seconde d riv e densit spectrale du bruit densit spectrale en sortie du signal d erreur du d tecteur de position Ces mesures se correspondent aux tests r alis s SANS ASSEIVISSEMENT EE 226 Figure 125 R p tabilit de la course du miroir en mono r flexion et multi r flexion et avec NEE EE 227 Figure 126 Evolution des offsets x0 yO mesur s et calcul s pendant une course nominale en mono r flexion et avec asservissement EE 228 Figure 127 Evolution des offsets x0 y0 mesur s et calcul s pendant une course nominale en multi r flexion et avec asservissement iii 228 Figure 128 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en mono r flexion et AVEC asservissement suisses 229 Figure 129 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en multi r flexion et avec asservissement ins 229 Figure 130 Evolution de la phase r siduelle p0 mesur
252. lage de l amplification de la phase et de la d viation angulaire A droite photographie prise en laboratoire de la configuration en multi r flexion Chaque spot laser rouge repr sente une r flexion l int rieur du evst eme ooinncnncnnnccnnnconocaconacon arc n carr raro 135 Figure 59 Capture d cran d une interface virtuelle Labview simulant l acquisition de deux signaux en parfaite quadrature de phase gauche et le r sultat de la d modulation de la phase a droite 137 Figure 60 Signaux en quadrature mesur s lors des tests du d monstrateur A gauche les signaux ont t mesur s pour une configuration en monor flexion droite les mesures pour les signaux en multi r flexion avec N 4 Le sens du d placement peut tre d termin en fonction de la diff rence de phase entre les deux signaux qui vaut 11 2 quand le miroir d chantillonnage se rapproche de la source et 11 2 quand il s loigne de la source c ooonnncnccccnnnnncconcccnnnnnnannncnnnnn nn rc cnn nn 137 Figure 61 Organisation des diff rentes structures cristallines oo n ncionnninnionnoninninnncnnaninnarcanccncn 140 Figure 62 La figure de gauche illustre une cellule l mentaire PZT de type P rovskite au dessus de la temp rature de Curie premi re image le mat riau pr sente une structure sym trie cubique simple et la cellule unitaire contient un cation central qui n a pas de moment dipolaire en dessous de la temp rature de
253. le parcourue L erreur est proportionnelle l angle de d salignement nnssrsnennnnnnennnnnnennn 156 Figure 69 Illustration du principe de l erreur d Abbe la longueur du bras de levier ou d calage d Abbe h induit des erreurs sur la distance mesur e unninncinnnnnoninnncconncnnncrnc nn crnnn narrar arranco 156 Figure 70 Configuration d un syst me en boucle ferm e avec r t signal de consigne e t erreur l entr e du r gulateur C p fonction de transfert du r gulateur u t commande en sortie du r gulateur p1 t p2 t perturbations l entr e et la sortie du proc d T p fonction de transfert du proc d v t bruit en sortie du proc d s t signal de r ponse mesur e en sortie 163 Figure 71 Illustration gr ce au logiciel ZEMAX du principe de l impr cision ON o induite sur la ddm par le choix des param tres N et a de la configuration multi r flexion Pisani 2006 Dans l exemple a 18 et 6 6 alors N 7 Une erreur en cosinus survient du fait que le miroir se translate parall lement lui m me et suivant un angle a par rapport l axe optique En raison du d calage du motif de r flexion vers le bas les segments rouges dessin s sur la figure doivent tre soustraits L effet net peut tre corrig et calcul par l expression 95 et se traduit par un gain l g rement Int rieur WE EE 164 Figure 72 Mesure de la polarisation transmise p
254. lectronique d amplification La plage de correction de ces actionneurs est limit e la valeur nominale de 78 um Cette valeur est sp cifi e pour Pactionneur vide et il conviendra donc de minimiser au plus possible les d fauts de translation La dynamique macroscopique en translation est fournie par un actionneur pi zo lectrique mod le Nexline N 111 fabriqu par PI Une version en Titane qualifi e spatiale est disponible sur demande au prix de 20 k lectronique non incluse Cet actionneur fournit une force de 50 N pour un d placement de 70 mm Sa force de blocage passive est de 70 N Sa technologie de d placement est bas e sur le principe de pieds d l phants et les param tres de force de course et de r solution peuvent tre modifi s par l ajout de pieds Ceci permettra notamment d adapter les forces de blocage et de d formation aux besoins des niveaux de vibration et de pr cision de OPD La cin matique du miroir est assur e par des liaisons m caniques flexibles avec une structure parall logramme d formable en Titane Les flexions parall logrammes d formables pr sentent d excellentes performances de guidage car elles sont libres des jeux et des ph nom nes de grippage sous vide Elles garantissent des trajectoires extr mement rectilignes L erreur hors plan caract ristique de ces structures peut tre compens e par un syst me multi guidage tripl 120 voir Figure 133 et Figure 134 q
255. leil e tude de la composition la distribution d nergie et les m canismes d acceleration du vent solaire Ce satellite a fait preuve d un succ s li l endurance et l efficacit sans gales dans instrumentation spatiale d di e au Soleil Les donn es des instruments auxquels participent les laboratoires fran ais sont stock es encore de nos jours au centre MEDOC de l IAS Les vols de Fus e VAULT Very High Angular resolution Ultraviolet Telescope L instrument VAULT est un t lescope de type Cassegrain de 30 cm de diam tre d ouverture suivi d un spectroheliographe dispersion nulle d di aux observations de la raie d mission Lyman alpha cf paragraphe 1 2 1 Deux vols de fus e de l instrument VAULT se sont succ d s le premier en 1999 afin de d montrer le concept de l instrument et un deuxi me en 2002 La fen tre d acquisition de donn es tait de 7 minutes pour une dur e totale de vol n exc dant pas les 75 minutes que 20 images par vol Grace sa r solution spatiale de 0 33 lt 250 km des structures inattendues dans les r gions calmes du Soleil furent r v l es et plus sp cifiquement l activit bouillonnante du r seau chromosph rique a pu tre tudi e en d tail Hinode Cette mission conjointe entre les agences NASA ESA et JAXA aussi connue sous les noms de Sunrise et SOLAR B a t lanc e en septembre 2006 Les trois instruments a bord un t lescope visible et magn t
256. leu coulement du vent solaire en rouge et localisation de la ligne neutre en vert s parant les polarit s positive et n gative du champ magn tique solaire source LESIA Ces paragraphes ont servi donner une vue d ensemble du paysage qui se dessine au quotidien dans le Soleil son atmosph re est caract ris e par des interactions complexes entre processus physiques concurrents Bien que le probl me soit multiples facettes on a surtout insist sur les diff rentes manifestations et structures thermodynamiques pouvant tre tudi es travers l analyse de la lumi re un des diagnostics les plus anciens ce qui permet de construire une vision d ensemble Une premi re approche se basant sur des observations et des mod les de transport radiatif tablit les d pendances entre la temp rature et l altitude repr sentatives de chaque r gion de l atmosph re En effet Patmosphere solaire peut tre sond e a diff rentes longueurs d ondes dont le domaine s tend des rayons X jusqu l infrarouge Ce rayonnement est intrinsequement li a la temp rature environnante et donc l altitude du milieu atmosph rique observ voir Figure 8 et Figure 12 Les diff rentes signatures des raies spectrales permettent de renseigner sur la composition et la temp rature du milieu o elles se sont form es en fonction de l intensit et de lallure du profil spectral mesur Bien qu ils constituent d excellents traceurs atmosph r
257. limat de diam tre d dont l angle d incidence d pend de la position de l image du point source consid r Il faut aussi noter que comme d crit en section 8 3 1 7 Figure 20 les erreurs d chantillonnage introduites par les d viations du front d onde recombin en sortie de l interf amp rometre c est dire par le d salignement du miroir d chantillonnage pendant l acquisition de l interf rogramme sont proportionnelles la surface illumin e du miroir Ainsi la r duction du diam tre du faisceau collimat augmente le SNR spectral La valeur retenue du diam tre de faisceau qui est d finie par la magnification du syst me et par le demi angle de champ est de 70 mm Le grandissement du syst me pour l ouverture D 40 mm devra donc tre de M 4 Finalement on se fixe aussi SL lt 5 nm de fa on ce que l intervalle d chantillonnage soit r alisable la plus haute r solution le temps d acquisition t 10 s impose une limite associ e la cadence de lecture du d tecteur bi dimensionnel L optimisation de l ISL a t r alis e par une fonction de m rite sous ZEMAX merit function voir Figure 32 qui contraint les positions des diff rents l ments optiques du bloc FTSUV positions x et y des miroirs de repli par rapport aux r seaux angle d inclinaison des miroirs distance entre r seaux et dimensions des optiques en fonction de la valeur du parcours optique S total dans le bloc interf rom
258. litude de ces pics est contenue dans l intervalle d erreur de 0 0075 V Les valeurs moyennes et les erreurs rms calcul s sur chacun des param tres mesur s sont recueillies dans le Tableau 28 Tableau 28 Moyennes et d viations standard calcul es pour les param tres Xo Yo Ax Ay et po de l ellipse pendant une course nominale en mono r flexion et multi r flexion sans asservissement 1 valeurs des param tres mesur s dans le sens positif de la course 2 valeurs des param tres mesur s dans le sens n gatif de la course Les valeurs ont t calcul es partir de la normalisation de donn es cf quation 100 o Xo V yo V Ax Ay Po degr s moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur Mono 0 00001 100 0 00131 44 79 1 4223 0 04 1 4060 0 04 0 0006 51 62 MR 0 00609 16 50 0 00220 36 45 1 3945 7 33 1 4317 7 51 0 0155 5 38 2 Xo V yo V Ax Ay Po degr s moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur moyenne erreur Mono 0 01048 6 26 0 00201 28 74 1 4223 0 03 1 4060 0 04 0 0087 4 17 MR 0 00675 13 73 0 00128 18 62 1 3885 5 93 1 4380 5 89 0 0179 5 84 187 COMMGUEATION DI LA COURSE OF LA PLATING COMMGURATION DE LA COURSE DE LA PLATING Cone ino J gt en tamami y enges gene 7 Nombre de mie E EEN en eeben gt Kaes THEN LANCER LA COU
259. louverture d un spectrom tre a dispersion ou d un SHS est limit e une fente verticale qui correspond un angle solide beaucoup plus petit que celui du FTSUV pour une m me section lumineuse efficace De ce fait bien que LEMUR et ISHS soient des instruments dont la conception optique soit moins on reuse et malgr le nombre r duit d l ments optiques utilis s leur pouvoir de collection de lumi re se voit donc notablement r duit De plus pour ces deux dispositifs et contrairement l instrument FTSUV la bande passante spectrale doit tre filtr e en entr e afin de s lectionner l intervalle spectral libre d int r t Ceci rajoute une perte d efficacit du signal importante car les transmissions de ce genre de filtrage ne sont pas exceptionnelles voir exemples sur la Figure 53 L utilisation de r seaux courb s ayant le m me l ment pour la dispersion et la conjugaison g om trique permet d conomiser des optiques et de r duire aussi le volume de l instrument Ce genre de r seaux pas variable peuvent cependant pr senter des d fauts de chromatisme notamment et comme on le verra si on d sire faire varier les r solutions spatiales ou spectrales afin d adapter notre mode d observation Pour maintenir la qualit optique de l image la solution passe par un syst me de focalisation au niveau du d tecteur Le format de celui ci d termine la bande passante pour une valeur de r solution spectrale donn e un
260. ls seront r alis s 178 pour deux modes de fonctionnement en configuration de Michelson classique soit une seule r flexion puis en multi r flexion afin de tester la sensibilit et la stabilit du banc Les performances du banc seront aussi valu es avec et sans r gulation P D L ensemble de ces tests permettra de d gager un budget d erreur sur les r sultats de m trologie et de valider le concept La fr quence du signal d acquisition pour une vitesse de chariotage de 183 093 um s la longueur d onde du laser est de 580 Hz pour la configuration en monor flexion et 2 320 Hz pour le gain de multi r flexion test D apr s le crit re de Nyquist la fr quence d chantillonnage doit tre au moins sup rieure deux points de mesure par p riode Afin d augmenter notre pr cision on sur chantillonnera les acquisitions une fr quence synchronis e 100 K ch s sur chacun des d tecteurs Les signaux d acquisition sur les quatre entr es sont filtr es passe haut La dur e nominale d enregistrement est de 70 s L ensemble des tests se sont d roul s en salle blanche classe 700 000 afin d assurer un fonctionnement dans un environnement contr l avec une temp rature de travail autour des 20 C avec des variations de l ordre de 7 C 2 BNC BAKELITE 2 BNC METAL POY PD X CH Y CH X 2 c bles coaxiaux BLEU BANANE ALIMENTATION JAUNE Connecteur SubD 25 femelle Connecteur SubD 9 m
261. m pour les valeurs extr mes du champ iii 98 Tableau 10 Valeurs calcul es du signal en photons arriv s au d tecteur int gr sur ISL 3113 74 cm Sto au maximum So pic et au centre So centre de la raie Ly a pour les profils de la Figure UE 107 Tableau 11 Valeurs du SNA de photon calcul es au pic et au centre de la raie Ly a des diff rents profils de la Figure TB re ee EE see aa eE Ea a CL 107 Tableau 12 Efficacit des optiques de l instrument pour l ISL 4 6 nm centr e sur Ag 121 567 nm sent gine ca Unie a letters seen ERA a net e One Ee E state entree EN 107 Tableau 13 Taux de modulation en fonction de l erreur sur le pas d chantillonnage 108 Tableau 14 Budget d erreur et calcul du SNA total uusrssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 113 Tableau 15 Ensemble des sp cifications d finissant le cahier des charges instrumental de I FTSUV EE 114 Tableau 16 Dimensions de TIETSUM rn nnrnnnnnn KAE E aN 115 Tableau 17 Caract ristiques techniques du support de pi zo actuateurs PI S 330 2SL deux axes du IMO LEE EE 141 Tableau 18 Caract ristiques techniques du d tecteur de position type photodiode a effet lat ral OBP A 4L fabriqu e par Newport eeseeesennssensenennnnnnnnnnnennnnnnnnnnnennnnnnnnnnnennnnnennsnnennnnnennnnennnenennnnnann 143 Tableau 19 Avantages et d savantages de chacun des param tres de r glage du r gulateur PID 148 Tableau
262. mbin s des deux premiers points Bien que les non lin arit s de premier sont pratiquement limin s gr ce l algorithme de correction de phase il n est s rement pas possible de se d barrasser des effets au deuxi me ordre x cos Les fuites de polarisation et r flexions parasites dans le syst me de d tection angulaire sont aussi une possible explication de cet effet au niveau du d tecteur de position Wu 2002 La troisi me r gion au del des 7 000 Hz est domin e par les bruits lectroniques et de d tection La Figure 121 repr sente les courbes de r p tabilit obtenues sur les six mesures r alis es dans chacune des deux configurations qui r sulte tre de 200 nm P V environ 16 nm rms en mono r flexion et de 250 nm P V environ 16 nm rms en multi r flexion Il y a un effet de nette am lioration lorsque le miroir fait la course de 217 retour la position initiale La r p tabilit est alors d environ 8 nm rms mais cet effet reste pour l instant pas compris 218 Erreur sur la diff rence de marche mono r flexion sans asservissement erreur nm 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Si nal d erreur sur PSX mono r flexion sans asservissement 10 erreur PSX microradians o 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX mono r flexion sans asservissement erreur PSY microradians 0 5 0x10 1 0
263. me de E Leute Il EE 202 Figure 103 R ponse en fr quence amplitude en dB et phase en degr s des axes X et Y mesur e sur le capteur de position et pour une consigne sous forme de bruit blanc amplitude 0 1 V fr quence 2 5 kHz envoy e sur l axe X du pi zo actionneur Les mesures ont t r alis es pour le syst me en multi r flexion et en mono r flexion iii 205 Figure 104 Identification de l axe X de la platine de pi zo actionneurs mod le analytique obtenu partir de la r ponse en fr quence mesur e voir Figure 103 205 Figure 105 R ponse en fr quence amplitude en dB et phase en degr s des axes X en bleu et Y en vert mesur e sur le capteur de position et pour une consigne sous forme de bruit blanc envoy e sur l axe Y du pi zo actionneur Les mesures ont t r alis es pour le syst me en multi r flexion et en MOMO VETIOXIOM DEET 206 Figure 106 Identification de l axe Y de la platine de pi zo actionneurs mod le analytique obtenu a partir de la r ponse en fr quence mesur e voir Figure 105 206 18 Figure 107 R ponses indicielles des chelons d amplitude Vin 0 1 V pour chacun des axes de l actuateur axe X en bleu axe Y en vert mesur es sur le capteur de position Le stimulus a t mis l chelle suivant les param tres de conversion retrouv s dans le paragraphe 18 2 1 207 Figure 108 Mod lisation de l axe X du pi zo actuateur En haut
264. ment grande devient a fe 46 fo u 21 Meff o fo est la fr quence en Hz de l actuateur non charg k sa raideur en N m et m la masse efficace en kg Dans une application r elle la fr quence de r sonnance d pend du moment d inertie de la masse ajout e l actionneur Uu en gr mm la fr quence de r sonnance du syst me f est alors calcul e selon l quation fo 47 fora Fla Ta avec h le moment d inertie du syst me pi zos et 3R H 48 In ml P H 2 Ty o m est la masse ajout e en g R le rayon du miroir H son paisseur et T la distance au point de pivot de l actionneur Un actuateur pi zo peut alors atteindre son d placement nominal pour un temps minimum T n proche de 7 3 de la p riode de r sonance 1 49 Tmin ze Le choix du bon actuateur d pend de nombreux param tres et doit se faire en fonction des exigences en termes de gamme de d placement vitesse r solution force comportement dynamique environnement de travail Les caract ristiques propres la c ramique telles 139 que sa composition ou sa morphologie ainsi que la stabilit de l lectronique de commande bruit d amplification sont dimensionner en fonction de ce besoin La conception pi zo m canique doit aussi tre optimis e l gard de l application en fonction de la g om trie de empilement et de son couplage un syst me de guidage adapt Dans notre cas il s agit de compense
265. mum de la figure A repr sent es par les contours blancs C position des profils Lyman alpha en rouge ayant une faible profondeur de profil et correspondant a la courbe spectrale continue l chelle Bz quantifie le champ magn tique mesur D position des profils Lyman alpha en rouge ayant une profondeur de profil aigu l chelle Bz quantifie le champ magn tique mesur et correspondant a la courbe spectrale en pointill es source Tian et al 2009 gt Unit optical depth Dly o Solar reversal 121 533 nm 80 y 0 a Gedcoronal absorption Altitude km Solar flux 10 photons em s nm Lyman a 121 6 nm 100 um mm 130 wo 121 45 121 50 121 55 121 60 121 65 O Absorption cross section 107 cm Longueur d onde nm Wavelength nm Figure 16 A gauche les courbes montrent l altitude pour laquelle l paisseur optique de l atmosph re est unitaire en fonction de la longueur d onde et deux angles d observation du Soleil Ces r sultats sont ind pendants de l irradiance solaire source G Kockarts 2001 Ils d pendent uniquement des abondances et des sections efficaces des diff rentes esp ces atomiques de l atmosph re terrestre A droite Lemaire et al 1978 Lewis et al 1983 la proximit de la Terre i e m sosph re le renversement de la raie Lyman alpha est d non seulement l Hydrog ne atomique solaire mais aussi l absorption g o
266. n e par notre carte d acquisition de 18 bits est de 7 6 urads L erreur associ e la vitesse d chantillonnage est de 7 830928 nm 166 Tableau 22 Cahier des charges et des sp cifications techniques du d monstrateur du syst me de m trologie Cahier des charges du syst me de m trologie Course d chantillonnage Pas d chantillonnage Vitesse d chantillonnage Pr cision sur le pas d chantillonnage Stabilit de la course 1830 928 824 183 093 8 2 5 Sp cifications du syst me de m trologie Configuration en multi r flexion a 8 Gain d amplification 2N Diam tre des miroirs Qualit de surface 7 0 28 52 50 4 N80 um nm um s nm urad mm p v Sous syst me d asservissement Organe de commande Capteur Pr cision th orique R gulateur Cible Fr quence de r gulation Plage de fonctionnement minimum Platine de pi zo actionneurs Diode effet lat ral 25 PI PID Analogique gt 440 255 S 330 2L PI OBP A 4L Newport mV SIM960 Hz mV Sous systeme d chantillonnage longueur d onde de r f rence Chariotage Pr cision minimum th orique Fr quence d chantillonnage Acquisition Interface de contr le Laser He Ne Aref 632 8 nm Platine de translation a moteur DC 8 gt 45 Labview 2011 Carte NI PCI 6289 R 30991 Newport M 405 CG PI nm kHz National Instruments 167 Tableau 23 Caract ristiques techniques de chacun des d
267. n chapitre explicatif Celui ci d finit les principales notions n cessaires la compr hension du principe de fonctionnement de l instrument FTSUV Ces descriptions reposent sur une approche th orique l mentaire de l interf rom tre de Michelson qui concerne aussi la fa on dont le sch ma optique de l interf rom tre traditionnel peut tre adapt une solution uniquement en r flexion condition sine qua non pour la r alisation d observations dans UV lointain L accent sera port sur les avantages potentiels de lIFTSUV face aux autres types d instrument Une pr sentation plus pr cise et d taill e de instrument est report e dans le chapitre Il Ce chapitre traite l valuation des sp cifications devant tre atteintes par l instrument FTSUV et permettant de r pondre au besoin scientifique exprim dans l introduction La sp cification technique de l instrument est abord e travers des hypoth ses simplificatrices de son fonctionnement Le niveau de d tail du mod le sera cependant suffisant pour aboutir un concept et un dimensionnement d instrument raisonnablement pr cis Le bilan des sp cifications techniques de l instrument IFTSUV conduira enfin la d finition d un cahier des charges instrumental A ce stade l une discussion sur les avantages et les inconv nients de cette technique permettra de justifier le choix instrumental Le budget d erreur souligne le besoin d un moyen de contr le et de mesure efficaces
268. n de 1975 sa charge utile comportait un spectrom tre fran ais capable de mesurer une plage spectrale de 102397 an EE 64 Figure 22 Les irr gularit s de surface optique produisent des composantes de r flexion diffuse qui vont d grader les performances de l instrument oooocccciniccccnnncccnnnoncnnn aan cono nnn cnn nn rr 66 Figure 23 Illustration du principe d un spectro imageur dispersion classique avec un d tecteur matriciel au plan focal Le spectre est dispers sur l axe x du d tecteur alors que la sc ne le long de la fente est imag e sur l axe y Pour acqu rir le reste de l image il est n cessaire de balayer le champ de vue dans la direction de la dispersion 68 Figure 24 Illustration des diff rentes techniques permettant de r aliser de la spectroscopie multi objets ou champ int gral Le champ spatial peut tre chantillonn de diff rentes fa ons ce qui permet d acqu rir simultan ment les informations spectrale et spatiale sans qu elles soient m lang es en entr e du spectrom tre En spectroscopie multi objet un masque plusieurs fentes positionn es des colonnes adjacentes permet d taler le spectre a des diff rents endroits du champ de vue Les principaux inconv nients de cette technique sont l existence de zones mortes de spectre cause des d bordements du spectre sur le d tecteur et les lacunes spatiales qui se produisent cause de la r partition des fentes Une matrice de micro
269. n grande partie son efficacit de diffraction 254 Le rev tement Le rev tement d un r seau est commun ment fait par vaporation ou pulv risation magn tique assist e de multicouches optiques sur le substrat poli La composition le nombre et l paisseur de ces couches donnent au composant diffractant ses vraies caract ristiques op rationnelles la composition tant s lectionn e pour la valeur de leurs indices aux longueurs d onde r fl chir i e les anti reflet R multi couches X UV Des avanc es technologiques sur les proc d s et m thodes de contr le de d p t voluent vers un niveau de qualit z ro d faut qui sera exig dans la future comp tition industrielle PROPRIETES DES RESEAUX Equation des r seaux Cette propri t fondamentale peut tre exprim e pour un r seau r flectif par l expression sinf sind mtd m 0 1 2 109 ou 7 et d sont respectivement les angles d incidence et de diffraction de la lumi re sur le r seau voir Figure 135 normale du r seau normale du r seau faisceau incident ordre 2 ordre 1 ordre 0 ordre 3 ordre 1 Figure 134 Diagramme repr sentant gauche la relation entre les rayons diffract s par des traits adjacents droite les diffractions dans les ordres successifs Dispersion d un r seau La dispersion angulaire w rad nm est langle s parant deux maxima un ordre m correspondant a deux longueurs d
270. nce Hz Phase Axe Y Monor flexion Phase Axe Y Multir flexion RE Fr quence Hz Fr quence Hz Figure 105 Identification de l axe Y de la platine de pi zo actionneurs mod le analytique obtenu partir de la r ponse en fr quence mesur e voir Figure 105 206 R ponse inditielle Axe Y Vin 0 1V R ponse inditielle Axe X Vin 0 1V 0 07 0 07 0 06 0 06 0 05 0 05 A 1 m mmm ME em em em emm mm wm wm wm emm Se EPIA 2 2 y 0 04 4 d y 0 04 y Stimulus monoreflexion 3 Stimulus monoreflexion 3 E i kant R ponse monor flexion E 0 03 11 R ponse monor flexion g 0 03 j sui lt lt Stimul Itir flexion I Stimulus multireflexion N E EMA RENE 0 02 4 0 02 B 4 R ponse multireflexion l R ponse multir flexion da 001 I oG ddan ee A a NE 0 T T T T T 1 0 Y i 0 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 0 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 Temps s Temps s Figure 106 R ponses indicielles des chelons d amplitude Vin 0 1 V pour chacun des axes de l actuateur axe X en bleu axe Y en vert mesur es sur le capteur de position Le stimulus a t mis l chelle suivant les param tres de conversion retrouv s dans le paragraphe 1
271. nce du faisceau laser en sortie ce qui se traduit par une mauvaise estimation de la ddm mais aussi des d viations angulaires Bien que dans l exp rience ces effets restent th oriquement inf rieurs la r solution exp rimentale des efforts suppl mentaires devraient tre consacr s l analyse des effets de la plan it des miroirs 20 1 4 13 Le syst me d asservissement Le fait d amplifier l angle en sortie de la configuration en multi r flexion se traduit par une augmentation de la sensibilit angulaire du syst me La valeur du coefficient de proportionnalit Kp de la boucle PI d asservissement diminue au fur et mesure que la sensibilit du syst me augmente Etant donn que la gamme de valeurs couverte par les modules SIM 960 cf Tableau 23 n atteint pas des valeurs de coefficients Kp lt 0 1 r gler un asservissement au del d un facteur 2N serait devenu impossible Un asservissement sur mesure afin de tenir compte des valeurs de gains mais aussi d optimiser la boucle de r gulation du syst me est la seule solution ce probl me cf paragraphe 18 2 4 et paragraphe 20 1 6 20 1 5 Le m canisme de translation Le m canisme qui assure la translation est l une des composantes les plus critiques dans le d monstrateur La r gularit du mouvement est assur e par le couplage dynamique du syst me Dans notre cas l utilisation d un servo moteur DC en combinaison avec des glissi res avec des roulements r
272. nclusions concerning limb brightening or darkening of the Lyman alpha profile since the exact location of the slit relative to the active region on the sun was 119 not known with certainty Le nombre d chantillons d pendra de la couverture spatiale souhait e de la largeur de la fente d entr e et de la taille du pixel de champ Ce nombre est d environ 7 000 chantillons dans le cas de LEMUR Or le temps de pose de cet instrument est de 7 s ce qui signifierait que le temps n cessaire pour obtenir l information compl te sur une r gion de 250 x250 serait sup rieur 1 000 s Teriaca et al 2011 D apr s l quation 8 l quation 24 et le Tableau 14 dans le cas d un IFTSUV la cadence de mesure devrait tre au moins doubl e afin de tenir la sp cification SNR gt 5 Th oriquement l instrument IFTSUV pourrait donc tre 500 fois plus rapide qu un spectrom tre r seau ou qu un SHS Bien que cette estimation d passe tout taux de t l mesure raisonnable la cadence de mesure de l IFTSUV reste plus lev e pour tout autre mode d observation envisageable binning r duction de la bande passante r solution spectrale r duction du champ de vue r solution angulaire Ceci est principalement d l avantage de l tendue et constitue un norme avantage car le Soleil est une cible qui peut devenir tr s dynamique Grace la sym trie circulaire un FTSUV a une grande ouverture d entr e alors que
273. ne Ce mat riau combine l g ret et excellente r sistance m canique tout en ayant un coefficient de dilatation CTE 8 8x10 mm mm C proche de celui d optiques r alis es en NBK7 CTEwakr 7 1x10 mm mm C Elle sera assembl e par des vis l int rieur de la cavit form e par le m canisme de translation voir Figure 132 Cet emplacement central a t choisi pour quilibrer les ventuelles dilatations de fa on ce qu elles soient uniform ment reparties La platine sera r glable par rapport au reste de la structure et aussi par rapport au miroir mobile moyennant des cales m caniques Les photodiodes de d tection de quadrature et de d tection de position seront aussi fix es au moyen de platines interm diaires r glables Le laser de r f rence est d port l ext rieur du bo tier via une fibre optique Les sp cifications d alignement et de couplage laser fibre seront d terminer Cette position permet d accorder au laser les moyens de mise en forme du faisceau et de maintien de sa stabilit en puissance longueur d onde pointage ainsi que de dissiper sa puissance de l ordre de 10 mW Le miroir mobile est tenu par une monture en Titane fix e par l interm diaire de trois rotules trois pi zo actionneurs de correction coll es l paisseur voir Figure 132 Le mod le APA 50 XS fabriqu par CEDRAT en Titane est qualifi spatial et disponible sur demande au prix de 3809 euros sans
274. nnel pr vient de l oxydation de l aluminium L paisseur relative des mat riaux doit tre optimis e en fonction des indices 261 faisceau laser d S lieu des interf rences substrat poli x a RIEF lt r sine photosensible faisceau laser Figure 139 Fabrication de r seaux holographiques et forme des r seaux sinuso daux grav s image obtenue par microscope de forces atomiques Fabrication du r seau d pot du film sur le substrat r sine photosensible exposition holographique et d veloppement gravure ionique SN transfert du masque pour fabrication du lot Evaporation du rev tement multicouche d Al Mat LLP Figure 140 Proc dure de fabrication de r seaux de diffraction holographiques 262 BIBLIOGRAPHIE D Ayari Matallah N Imagerie Hyperspectrale par transform e de Fourier Limites de detection caract risation des images et nouveaux concepts d imagerie Th se 2011 Bianchini D Lanfranchini M Cortesi U Flight qualification of a diode laser for path difference determination of a high resolution Fourier transform spectrometer Applied Optics Vol 39 No 6 pp 962 965 2000 Bennett C L A comparison of Imaging Spectrometers ASP Conference Series Vol 207 pp 344 354 1999 Chandra S and Rohde R S Ultrasensitive multiple reflections interferometer Appl Opt 21 pp 1533 1533 1982 Ciddor P E Refrac
275. ns le budget L erreur de mesure lin aire issue de la configuration en multi r flexion a t calcul e comme la somme rms de l incertitude donn e par l quation 95 soit environ 7 5 nm et l incertitude donn e par le d salignement et l quation 80 soit environ 3 nm Les r sultats sont parsem s d erreurs syst matiques qui ont fait de l exp rience une m thode fid le faible erreur al atoire mas non juste Ces erreurs sont intrins quement li es au m canisme de translation platine MG 405 CG de chez PI Les variations observ es sont totalement reproductibles la p riode de cette erreur co ncide avec la taille du pas de vis du moteur 0 5 mm l amplitude de l erreur tant d environ 1800 nm P V Ce r sultat reste inchang c est dire que ce soit pour les mesures en mono r flexion multi r flexion avec ou sans asservissement aucune variation ou am lioration n est observ e dans les diff rentes configurations Une perte de contraste en fonction du d placement a t relev e lors des exp riences en multi r flexion Cette perte de flux n est pas due aux d salignements car elle aurait d tre corrig e par l asservissement Elle se doit probablement au fait de la perte d efficacit progressive sur les bords des miroirs L valuation de l impact de ce param tre s avere difficile sans avoir acc s ces valeurs De m me la qualit de surface joue un r le important lorsque le faisceau bala
276. nt vont de 11 pour le Soleil calme 20 pour un Soleil actif Un compromis entre les diff rentes paires de valeurs de tol rance modulation a t fait afin de remplir les sp cifications du cahier des charges scientifiques 1 3 2 SPEC 4 Le SNR r sultant du bruit de photon est issu des calculs r alis s dans le paragraphe 8 3 2 1 L impact sur le SNR total des diff rents postes a t calcul comme la contribution multiplication de l ensemble des modulations Tableau 14 Budget d erreur et calcul du SNA total Poste Valeur Bruit de photons Soleil calme 22 Soleil actif 40 Qualit du pas d chantillonnage Tol rance 8nm Modulation 0 98 Alignement interf rom trique Tol rance 2 5 urad Modulation 0 85 Qualit de surfaces optiques Tol rance 633 52 rms Modulation 0 8 Efficacit des r seaux Tol rance 3 Modulation 0 97 SNR TOTAL Soleil calme 11 Soleil actif 20 9 2 CAHIER DES CHARGES INSTRUMENTAL L ensemble des points pr c dents m ne aux param tres r sum s dans le cahier des charges instrumentales du Tableau 15 113 Tableau 15 Ensemble des sp cifications d finissant le cahier des charges instrumental de IFTSUV Param tres d imagerie Champ de vue FOV 250 x 250 Diam tre de la pupille d entr e D 40 mm Rapport d ouverture en sortie WFNO 43 R solution angulaire q 15 Taille du pixel 6 5x 6 5 um Format du d tecteur 512x
277. nts de l indice de r fraction ou r fringence de lair La r fringence de lair change en fonction des conditions environnementales dont les plus importantes sont les variations de temp rature de pression de vapeur d eau et de concentration de CO Ces variations ont t tudi es et d crites par l quation empirique d Edl n Edl n 1966 P 1 P 0 817 0 0133T x 1078 63 n Dre n Ds X 750775 1 0 0036610T o n est la valeur de l index de r fraction P la pression en Torr T est la temp rature de l air en C et ou 64 2406030 15997 1 s X 108 e n Ds 1 02 38 9 02 o tant le nombre d onde de la source dans le vide en um Les effets des variations de l humidit en pression f de vapeur d eau exprim e en Torr sont d crits par la relation Ciddor 1996 65 NTPF Nrp f 4 9608 0 045707 x 1078 Alors que les concentrations de CO x en ppm induisent des variations d indice de r fraction d crites par 66 n 1 x 1 0 540 x 0 0003 n 1 s Les variations typiques de l indice de r fraction en fonction de ces param tres figurent dans le Tableau 20 Si ces effets ne sont pas pris en compte de fa on pouvoir les isoler et ou les corriger le parcours optique mesur ne co ncide pas avec la distance m canique r elle Les changements de l indice de r fraction font aussi varier la longueur d onde de la source de r f rence de la forme 149 _
278. nvole et une jection de masse a lieu si la vitesse de mont e est lev e une onde de choc se forme en amont 2 Au dessous de l ancien lieu du filament se forment de nouvelles boucles magn tiques lors de la reconnexion des lignes de force l nergie emmagasin e est lib r e ce qui vient chauffer le plasma et acc l rer les particules des vitesses lev es Elles sont ensuite inject es vers le bas le long des lignes de force et vers le haut pouvant ainsi s chapper vers l espace interplan taire source LESIA c ssccceeeesesseeeeeeeeeenaaes 43 Figure 5 A gauche jection de mati re coronale accompagn e de l ruption d une protub rance observ es par le coronographe LASCO SoHO source NASA A droite image composite du Soleil enregistr e par l imageur AIA SDO Les diff rentes couleurs correspondent aux bandes passantes des canaux Fe XIV 21 1 nm Fe XII et FeXXIV 19 3 nm et FelX 17 1 nm de l imageur AlA SDO donnant acc s aux temp ratures T 6 3x105 2x107 K des diff rentes couches de la couronne Source SDO NASA nannte en ec detente lient ege nee 46 10 Figure 6 A gauche boucles coronales observ es au sein d une r gion active dans la raie d mission FelX 17 1 nm T 6 3x105 K par AIA SDO Il s agit d normes structures tr s chaudes de plasma confin le long des lignes de champs mergentes des r gions photosph riques polarit s oppos s Au centre trou coronal obs
279. observation de l UV lointain n est pas efficace si lon utilise des l ments optiques en transmission Le nouveau concept de spectro imageur a TF bas sur des r seaux diffractions en r flexion permet de r pondre a cette exigence Ensuite sont sp cifi s les param tres qui d finissent en premier lieu ce genre d instrumentation D une part les principales relations reliant les aspects g om triques et optiques aux caract ristiques spectrales de l FTSUV sont rappel es D autre part la relation qui relie le bruit entre les espaces de l interf rogramme et du spectre a travers le th or me de Parseval est nonc e Finalement les diff rents postes contribuant la d gradation du signal sur bruit sont r pertori s Ce chapitre met aussi en valeur les avantages potentiels th oriques de cette technique justifiant son choix parmi les autres En conclusion les principaux probl mes techniques sont identifi s et discut s 4 DESCRIPTION DE L INSTRUMENT IFTSUV 4 1 DESCRIPTION DU PRINCIPE FTSUV L IFTSUV est bas sur un interf rom tre de Michelson donc division d amplitude Le faisceau lumineux provenant de l entr e de l interf rom tre est divis suivant deux chemins optiques diff rents correspondant aux deux bras de l interf rom tre L enregistrement de l intensit en fonction de la diff rence de marche optique ddm x donne l interf rogramme I x Si la source est monochromatique on obtient un interf
280. od lisation doivent s accompagner de l exp rience observationnelle afin de pouvoir comparer valider et raffiner les nouveaux traitements Bien que tr s performantes les techniques d instrumentation mises disposition jusqu pr sent mod lent un paysage contraint par le nombre d observables pouvant tre mesur s de fa on simultan e Figure 12 Mod le canonique de l atmosph re hydrostatique du Soleil variation de la temp rature trait plein et de la densit lectronique trait pointill en fonction de l altitude dans l atmosph re solaire d apr s des mod le de transfert radiatif VAL Vernazza et al 1981 La temp rature et la hauteur de 57 formation des diff rentes raies chromosph riques sont aussi montr es les diff rentes parties du profil de la raie Lyman alpha sont form es des altitudes sp cifiques Ly e PROFILE SPECTRUM INTENSITY CURVES FOR DIFFERENT REGIONS JULY 21 1959 ON SUN JULY 21 1959 Cak SPECTROHELIOGRAM 0 5A 0 5A TELLURIG H CORE Te 50 000 K LO 08 06 04 02 0 02 04 06 408 10 ax JULY 21 1959 QUIET REGION OF ACTIVE SUN AUG 22 1962 QUIET SUN 06 04 02 0 02 04 06 ECH Figure 13 Cette image montre un des premiers profils Lyman alpha obtenus pour une p riode de grande activit 21 Juillet 1959 R Tousey et une p riode de Soleil calme 22 Ao t 1962 R Tousey La photographie montre les diff rentes positions relatives de la fente s
281. ographe SOT Solar Optical Telescope avec une ouverture de 50 cm de diam tre permettant de couvrir la totalit du disque solaire avec une r solution spatiale inf rieure la seconde d arc un t lescope en rayons X XRT X Ray Telescope couvrant un champ de vue de 30 et une r solution angulaire d environ 7 et le spectrom tre r seau dans IlUV extr me EIS Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer avec une ouverture de diam tre 15 cm sont utilis s de fa on simultan e pour r pondre aux questions suivantes e quels sont les m canismes de transport de l nergie des champs magn tiques photosph riques vers la couronne e comment se cr ent les processus de reconnexion magn tique et quelles sont leur interactions avec la mati re e quel est l influence des fortes manifestations magn tiques du Soleil sur le reste du syst me solaire Ces tudes du champ magn tique du Soleil peuvent tre accomplies gr ce des instruments tr s haute r solution spatiale lt 0 2 et temporelle 30 90 s Les scientifiques esp rent ainsi pouvoir apporter un peu de lumi re sur les m canismes et les structures actives qui se d veloppent dans le soleil ruptions CME vent solaire afin de mieux comprendre et de pouvoir pr dire leur impact sur le reste du syst me solaire et plus concr tement sur notre Terre 52 La mission STEREO Solar TErrestial Relations Observatory Le projet spatial STEREO est une mission de l
282. oix du d tecteur et une tude lectronique interviennent est n cessaire pour affiner ces valeurs SNR Id alement l FTSUV serait con u de telle sorte que tous les bruits seront r duits jusqu ce que le bruit de photon soit dominant Pour chaque image il existe un compromis entre le SNR le contraste les r solutions spectrale et spatiale le temps de pose et ouverture du syst me Dans la mesure o le budget d erreur aurait un impact trop contraignant sur les performances SNR pour le syst me tel qu il a t d fini on pourrait e diminuer la cadence 7 ceci ayant des cons quences sur la capacit d observer la dynamique solaire et sur les capacit s intrins ques de la technique FTS e L avantage de Jacquinot nous donne une certaine flexibilit pour largir les ouvertures ce qui augmentera notre signal L largissement de louverture a l entr e implique un SNR multipli par la racine carr e de l accroissement du rayon yr de la pupille d entr e voir relations 7 8 et 24 Dans ce cas les 124 implications sur la qualit de l image la pr cision spectrale et encombrement de l instrument sont re valider 11 3 POINTS DURS 11 3 1 Qualit des surfaces optiques Le r sultat de l valuation du rapport signal sur bruit souligne de s v res tol rances dynamiques La qualit du front d onde r sultant doit tre de 4 52 rms Aye ne 632 8 nm Ce crit re impose des qualit s de surface tr s lev
283. ommunicants mesurant de 9 10 000 km en hauteur et des diam tres inf rieurs 200 km Elles sont observ es sur le disque mais sont aussi visibles au limbe dans la raie d mission Ha La d couverte r cente des spicules de type Il caract ris es par des vitesses plus lev es 100 km s a mis en vidence la possibilit d une lib ration d nergie magn tique qui chauffe et expulse de la mati re au niveau de la couronne La temp rature observ e dans les spicules dites classiques est constante et T 15 000 K le long de la structure alors que des temp ratures des spicules type II sont de l ordre des temp ratures coronales Cependant les estimations des temp ratures et des densit s le long de ces structures et jusqu la surface coronale bas es sur les mesures des 41 asym tries Doppler observ s dans les raies EUV sont encore en d bat Si les structures sont bien haute temp rature les spicules pourraient transporter de la mati re dans la haute atmosph re solaire y compris la couronne mais cela n expliquerait toujours pas comment cette mati re est chauff e Les filaments sont des grandes extensions jusqu des centaines de milliers de kilom tres de surface de plasma tr s dense et froid T 5 000 8 000 K suspendu par des forts champs magn tiques voir Figure 3 et Figure 20 Ces structures sont principalement observ es dans les raies chromosph riques mais leur corps qui peut atteindre des altit
284. on 1 3 2 sont e Pour r duire l encombrement le champ de vue de 250 carr s est image par une ouverture de diam tre D 40 mm e Le diam tre du faisceau collimat d livr l entr e de l FTSUV est d fini par le grandissement du syst me Eq 5 et le demi angle de champ e Le champ et la r solution spatiale seront accord s avec le format du d tecteur celui ci sera donc constitu par une matrice de 512x512 pixels La r solution angulaire en sortie du syst me sera de l ordre de 1 pixel 84 La conception de l instrument sera trait e par trac de rayon avec le logiciel ZEMAX et influera sur le choix final des param tres d finissant les optiques hors axe valeurs des focales coniques ouvertures ainsi que le format du d tecteur Eq 6 et l encombrement Le design optique sera optimis dans le champ pour la bande passante spectrale choisie centr e sur la raie Ly a La qualit de l image de l instrument d pend aussi de la qualit des optiques et de l alignement final L analyse ZEMAX d finira les param tres d optimisation du syst me 7 8 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT Les valeurs r elles du SNR sont calculer partir de la r alisation du budget d erreur et de pertes de contraste Figure 29 Dans une premi re approximation on ne tiendra compte que des pertes induites par les efficacit s des optiques et on comptera les postes d crits de suite comme tant les principales contributions au budget
285. on de l instrument FTSUV aurait d pass le temps et le budget pouvant tre allou s cette th se Ces tudes ont cependant servi comme point de d part d une r flexion sur le design et ont permis de rep rer des points durs prendre en compte dans la conception ult rieure d un tel instrument Les perspectives li es cette d marche seront discut es dans le paragraphe suivant 22 PERSPECTIVES Sur les bases de l tude pr liminaire effectu e pendant cette th se le plan d actions propos est ax d une part sur une phase a court terme se concentrant sur les tudes et d veloppements R amp T compl mentaires et n cessaires l avancement de la maturit du projet et d une phase long terme visant couvrir la r alisation d un syst me spatial et l organisation programmatique du projet dans le contexte d une future mission spatiale 22 1 1 Horizon proche e Rupture applicative spin in du concept de m trologie d velopp l IAS bas sur le syst me d di la ligne VUV du synchrotron SOLEIL miniaturis et fonctionnant sous vide suivant les pistes de conception nonc es dans le paragraphe 20 2 e Un effort R amp T concernant l am lioration des optiques dans le VUV Cette tude impliquerait notamment la r alisation de miroirs haute qualit de surface ainsi que l tude et la production de r seaux de diffraction haute efficacit dans la gamme spectrale cibl e e Recensement exhaustif
286. on du sch ma optique de I FTSUV a vue de face b vue de c t les images ne sont pas l chelle 76 5 SPECIFICATIONS INSTRUMENT ALES 5 1 INTERVALLE SPECTRAL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION SPECTRALE 5 1 1 Intervalle spectral libre On d finit l intervalle spectral libre ISL comme l intervalle maximal de longueur d onde pour lequel il ny a pas de recouvrement spectral Le sch ma optique de l IFTSUV b n fice de l avantage d auto filtrage ISL peut tre reli au parcours optique des faisceaux dans le syst me deux r seaux La diffraction dans les ordres 7 du r seau R1 produit la dispersion du faisceau incident Cette dispersion est annul e en sortie apr s diffraction sur le r seau R2 L SL correspond alors a la largeur la base du filtre trap zo dal r sultant du double passage dans le syst me deux r seaux Figure 27 et ANNEXE B Ce filtrage trap zoidal se caract rise en fonction des dimensions du faisceau l entr e du syst me d du parcours optique S s parant les r seaux R1 et R2 de la dispersion angulairew rad nm et du nombre de traits illumin s t des r seaux On peut alors crire ISLA Mee 2 u Sxw o AA 0 6 nm correspond la largeur au sommet du filtre trap zoidal cf SPEC 3 et Figure 27 Ceci constitue on avantage remarquable car il permet de s affranchir de l utilisation de filtres en transmission ce qui viendra forc ment r duire l efficacit op
287. on peut tre d termin e partir des d calages spatiaux de structures bien r solues dans une s quence d images enregistr es cons cutivement L effet Doppler qui est l effet pr dominant dans l largissement des raies du spectre constitue un excellent indicateur du mouvement vertical de mati re la mesure des d placements des raies dans le spectre donne en th orie une mesure directe de la vitesse de chaque point le long de la ligne de vis e Finalement et pour pouvoir comprendre les bilans nerg tiques dans les diff rentes r gions il est indispensable d avoir acc s une cartographie en termes de temp ratures densit s opacit s degr s d ionisation moyennant des mesures des intensit s des raies et du continuum spectral haute r solution Que ce soit dans des applications terrestres ou spatiales les instruments d di s a ces causes sont le plus souvent des imageurs filtre passe bande et les spectrom tres fente Les premiers consistent en des t lescopes permettant d obtenir l image panchromatique du Soleil sur un d tecteur 2D L information spectrale d int r t est discrimin e gr ce a l interm diaire d un filtre interf rentiel bande troite Les deuxi mes sont d crits en d tail dans le paragraphe 2 2 et la section 10 de ce manuscrit Les principaux avantages des instruments imageurs filtre troit sont d une part leur capacit de fournir des mesures de temp rature sur des grandes surfa
288. ondes voisines A et 1 dA Son expression est trouv e en supposant i et t constants par la diff rentiation de l amp quation des r seaux d mt 110 XA cosd La dispersion est plus forte lorsque l ordre est lev et le pas est faible Les r seaux utilis s dans UV ont pour cette raison un grand nombre de traits par millim tre 255 On peut galement d finir la dispersion lin aire P mm nm du r seau comme P mm nm S x w 111 ou S est la distance qui s pare le r seau du plan de dispersion du spectre On a donc directement acc s l cart lin aire entre deux longueurs d onde AA Ad P x A4 112 Dans une configuration optique comme celle utilis e dans l instrument FTSUV voir Figure 26 et paragraphe 5 1 1 on peut profiter de ces propri t s de dispersion de r seaux pour pouvoir s lectionner la bande passante ou l intervalle spectral libre d sir En effet pour une approche simplifi e du probl me si D7 et D2 sont les diam tres des r seaux R7 et R2 on peut alors par g om trie relier ces valeurs aux valeurs des carts lin aires Ad et Ad pour les intervalles de bande passante AA 2 A et ISL A Ay voir Figure 136 selon les relations D2 Ad D1 113 1 D2 5 Ad Ad d o Pon retrouve l expression pour le filtre passe bande de profil trap zoidal 2D1 114 ISL AA S XW 256 ISL A2 Ai gt AA A2 A1 0 5Ad
289. ons par effet Joule des modules lectroniques batteries Le flux solaire 1 375 W m Palb do terrestre 190 W m pour les surfaces orient es vers la Terre et le fond cosmique a 3 K n gligeable cependant pour les observations solaires sont aussi une source importante de rayonnement a tenir en compte lors du bilan thermique La gamme de temp ratures de fonctionnement pour les quipements embarqu s doit tre sp cifi e dans le cahier des charges Les sp cifications sur la pr cision lin aire formul es dans le Tableau 14 imposent une stabilit thermique de 10 C pour une structure en Carbone et des optiques faites en Silice et pour un temps d int gration de 70 s Une solution envisageable permettant d approcher une bonne stabilit thermique est le choix de l emplacement du satellite Pour une orbite L1 les dilatations diff rentielles seraient donc n gligeables Le dimensionnement du contr le thermique doit tenir compte des variations internes de la charge dissipative et des fluctuations des conditions externes ainsi que des propri t s physiques conductivit thermique capacit calorifique missivit et absorbit des mat riaux et composants bord La ma trise des transferts de chaleur peut tre obtenue par des l ments passifs tels que des traitements de surface les MLI isolation multi couche ou les OSR Optical Solar Reflector Un contr le thermique actif permet de r guler la surchauffe ou le refroid
290. ophysics Vol 472 pp 929 936 2007 Gunar S Heinzel P Anzer and Schmieder B On Lyman line asymmetries in quiescent prominences Astronomy and Astrophysics Vol 490 pp 307 373 2008 Halir R and Flusser J Nemerically stable least squares fitting of ellipses 1998 Hanus R Analyse temporelle Partie 2 Techniques ing nieur 2007 Harker M O Leary P and Zsombor Murray P Direct type specific conic fitting and eigenvalue bias correction 15 Annual British Machine Vision Conference Volume 26 Issue 3 pp 372 387 2008 Harris W M Roesler F L Ben Jaffel L Mierkiewicz E Corliss J Oliversen R and Neef T Applications of spatial heterodyne spectroscopy for remote sensing of diffuse UV VIS emission line sources in the Solar system Journal of electron spectroscopy and related phenomena 2005 Hearn D R Fourier Transform Interferometry Technical Report MIT 1999 Heinzel P and Vial J C OSO 8 observations of a quiescent prominence A comparison of Lyman alpha with theoretical intensities Astronomy and Astrophysics Vol 121 pp 155 157 1983 Heinzel P and Rompolt B Hydrogen emission from moving solar prominences Sol Phys Vol 110 pp 777 789 1987 Heinzel P Multiwavelength Observations of Solar Prominences in Solar and Stellar Physics through Eclipses ed by O Dermican S O Selam B Albayrac Astronomical Society of the Pacific Conferences S
291. optique est choisie de telle sorte que le faisceau tape au centre du miroir mobile qui n est pas r glable en hauteur La source laser est align e en faisant d placer un trou optique de 500 um de diam tre d un bout l autre de l axe optique Les r glages du laser se font it rativement de fa on ce que le faisceau tape toujours le centre du trou ind pendamment de sa position La m me d marche est suivie pour le positionnement de l isolateur optique Le miroir mobile est r gl en auto collimation avec le laser Ce r glage se fait d abord avec la platine de pi zo actuateurs teinte soit en position de course z ro Ensuite on peut allumer la platine pi zo et r gler it rativement les offsets analogiques de chacun des deux axes afin d obtenir l alignement initial r p tabilit de 0 75 urad L alignement des cubes BS7 et PBS se fait grace un petit miroir que l on peut coller leurs faces Les cubes sont alors r gl s de fa on ce que les faisceaux transmis et r fl chis soient toujours confondus sur chacune de ses faces L ensemble des polariseurs et lames de retard sont l g rement tilt s pour viter r flexions parasites Un iris est cependant plac en amont du d tecteur LEPD de fa on rejeter toute lumi re parasite incidente De m me le d tecteur de position poss de un petit baffle que Pon vise son support Une lame de retard 4 2 permet de r gler la polarisation lin aire du lase
292. osition alors que la courbe verte repr sente l axe Y 214 Signal d erreur sur PSX multi r flexion sans asservissement erreur PSX micrometres 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX multi r flexion sans asservissement erreur PSY micrometres 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 114 D viations angulaires mesur es en multi r flexion exprim es en microm tres sur la surface du d tecteur de position en fonction de la course d chantillonnage du miroir correspondant une diff rence de marche optique et vitesse nominales La courbe bleue repr sente laxe X mesur sur le d tecteur de position alors que la courbe verte repr sente l axe Y Les mesures en multi r flexion ont t recal es au facteur d amplification r gl 2N 4 Ces mesures sont en accord total avec les r sultats obtenus dans le cas classique superpos en couleur claire sur chacune des deux graphiques 215 Signal d erreur sur PSX multi r flexion sans asservissement erreur PSX microradians 1 0x10 1 5x10 SES 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 erreur PSY microradians 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 115 D viations angulaires induites par les effets de tangage et de lacet induits par la platine de translation pendant la course du miroir Les d viations en multi r flexion repr
293. osph re sont des plages faculaires qui prolongent les facules de la photosph re Centre image Lyman alpha d une protub rance observ e au limbe par la sonde TRACE source TRACE Le r seau chromosph rique est aussi mis en vidence dans cette image A droite d tail de la chromosph re observ e en Ha les l ments sombres filiformes droite de l image sont des spicules Les structures brillantes sont des plages une petite tache solaire peut tre identifi e dans la partie sup rieure gauche de l image source Royal Swedish Academy of Sciences ccoooooocccnccccnococnncccanannnnnnnnnnnnnnnns 42 Figure 4 Vue sch matique de l ruption d une coupe 2D d un filament et des rayonnements associ s La structure est entour e de son propre champ magn tique cercle vert et du champ magn tique ancr dans le Soleil lignes de force dessin es en rouge et marron figure a Les mouvements aux pieds des champs magn tiques dans la photosph re font monter la structure magn tique du filament les lignes de force oppos es se rapprochent au dessous du filament figure b rectangle jaune Une r gion de tr s forts courants lectriques se d veloppe figures b et c rectangle jaune Dans cette situation les lignes de force subissent une reconnexion magn tique avec deux cons quences 1 la configuration magn tique confinant le filament monte et fini par se d tacher de son ancrage dans la photosphere le filament s e
294. ouleau pr sente une quantit excessive de frottement et de striction venant limiter la r solution du systeme cause des effets de l hyst r sis du jeu lincertitude dans la r p tabilit en position D apr s les paragraphes 18 3 1 et 18 3 2 plusieurs erreurs de nature syst matique ont t mises en vidence dans le syst me dont une tant parfaitement reproductible et identifi e au pas de vis du m canisme soit tous les 0 5 mm Un chemin de billes en forme circulaire tel qu il a t con u par le fabriquant offre une capacit de charge grande mais les billes portent la charge uniquement sur le fond de la rainure ce qui peut entra ner un jeu lat ral pour des charges qui sont perpendiculaires au sens de d placement et donc des erreurs d Abbe non corrigeables De plus l int gration m canique de l entrainement dans la platine couple fortement la vis bille avec le chariot ce qui ajoute du bruit Le d placement r gulier dans la gamme souhait e ne peut tre atteint que par des actuateurs et des guidages l tat solide sans frottement et sans striction tels que les actuateurs et les flexions pi zo 20 1 6 L interface de contr le Les performances de l interface de contr le ont t limit es par e En premier ordre l utilisation de Labview en absence d une cible RT pour concevoir un syst me d asservissement P D sur mesure choix des coefficients de la bande passante e Dans le cas id al l absenc
295. our centrer le faisceau sur la surface sensibilit 5 um ainsi qu un r glage le long de l axe z afin d galer les longueurs des bras de l interferometre En raison de l encombrement des composants ainsi que des moyens de fixation et assemblage opto m canique la longueur minimale pouvant tre obtenue pour les deux bras de l interf rom tre est de 200 mm 1 mm Le d tecteur de position poss de deux r glages en translation hauteur et axe x avec une sensibilit de 7 um afin d ajuster la position de r f rence du spot centr sur la surface Les deux photo d tecteurs en quadrature peuvent tre grossi rement positionn s en hauteur gr ce des tiges ajustables mais aussi le long du systeme de rails afin d optimiser les offsets et amplitudes du signal collect 173 17 8 ALIGNEMENTS DES OPTIQUES Un positionnement pr liminaire de l ensemble des composants optiques du syst me permet de d finir et de pr server m caniquement la direction de l axe optique en minimisant le nombre de r flexions parasites ainsi que de r gler les axes des l ments polariseurs Ce r glage initial est d abord r alis pour tester une configuration classique d interf rom tre en incidence normale ou mono r flexion et post rieurement raffin pour optimiser les signaux sur chacun des deux sous syst mes ainsi que l alignement en multi r flexion Le systeme de rails a t fix au marbre l querre La hauteur de laxe
296. ouvant atteindre des fr quences jusqu a 60 kHz avec une r solution spatiale sub micronique L utilisation de la lentille de focalisation a t finalement et pour des raisons de simplification de la r alisation du banc mise de c t voir section 17 3 171 Polarisation transmise par PBS faisceau incident polaris lin airement 45 100 polarisation horizontale p polarisation verticale s polarisation p s 2 calcul e 80 60 40 20 0 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm Figure 72 Mesure de la polarisation transmise par le cube PBS en fonction de la longueur d onde incidente polaris e 459 la courbe verte repr sente le taux de polarisation horizontale transmise la rose repr sente la polarisation verticale transmise et la courbe rouge la polarisation p s 2 calcul e Le cube est optimis la longueur d onde du laser He Ne 17 2 STRUCTURE OPTO MECANIQUE Le banc optique a t install sur un marbre anti sismique reli au sol par quatre pieds munis d amortisseurs permettant d att nuer les vibrations ext rieures se propageant dans la structure du b timent L axe optique est mont sur un syst me de rails en aluminium avec deux branches perpendiculaires int gr es pour configurer le d tecteur de position et le sous syst me de comptage de franges Ce syst me rend accessible le positionnement des optiques tout en restant compatible a
297. p rieure la densit d cro t rapidement jusqu 10 fois moins dense que la photosph re alors que sa temp rature s l ve de 6 000 K a 20 000 K D apr s une logique thermodynamique l mentaire si l atmosph re inf rieure est plus froide il est impossible que le plasma chaud de la couche ext rieure soit chauff par conduction thermique quels sont alors les m canismes de transport d nergie qui alimentent la chromosphere Il est admis de nos jours que certains m canismes li s a la reconnexion magn tique ou les ondes d Alven peuvent chauffer le plasma localement des temp ratures tr s lev es cependant le bilan nerg tique fourni par les mod les reste incomplet Ce paradoxe thermique atteint son paroxysme dans la zone de transition qui fusionne la chromosphere la couronne ou les temp ratures s l vent jusqu des valeurs atteignant le million de degr s voir paragraphe 1 1 2 3 et paragraphe 1 1 2 4 Aux temp ratures de la chromosph re le plasma est beaucoup plus ionis que dans la photosph re et il apparait quasiment transparent pour le rayonnement visible continu Les raies d mission et absorption que l on observe alors sont celles des l ments pour lesquels cette atmosph re est opaque notamment celles des missions de l Hydrogene l H lium le Calcium et le Fer ionis s En particulier la couleur qui donne son nom la chromosphere est celle de l mission H alpha Ha 636 5 nm voir Fi
298. p tabilit mesur e Erreurs syst matiques dues au m canisme de translation M2 316 5nm en nombre entiers 12 nm Miroir M N20 32 nm inertie thermique des mat riaux variations de l indice de r fraction Temps d int gration R solution de la phase donn e par la carte Tableau 38 Performances du syst me d asservissement Avec asservissement MULTI REFLEXION REFLEXION N4 158 2 nm 0 95 nm N2 316 5nm 12 nm 1 20 32 nm 0 lt 0 02 ppm non d termin es non d termin es n gligeable horloge CPU lt 0 001 nm 0 33 nm 55 5 nm MULTI REFLEXION Performances de la boucle d asservissement MONO MULTI REFLEXION REFLEXION Pr cision attendue 3 5 urad 0 9 urad Erreurs de bras de l vier d alignement d sorientation de 4 la PSD R Bande passante Axe X 100 Axe X 83Hz th orique Hz Axe Y 50 Hz Axe Y 67 Hz M4 158 2nm 0 95 nm relative TBD fixe En ce qui concerne les corrections angulaire les sp cifications n ont pas pu tre atteintes le d tecteur de position en mono r flexion n est pr cis qu une valeur d angle de 3 5 urad alors que la pr cision en multi r flexion est de 0 9 urad cf paragraphe 18 2 1 En plus d apr s les valeurs th oriques retrouv es suite une premi re mod lisation du syst me de r gulation PI cf paragraphe 18 2 4 et 18 2 5 la bande passante du r gulateur est lt 100 Hz 232 L
299. partir de la normalisation de donn es cf quation 100 iii 187 Tableau 29 Facteurs de conversion calcul s partir des mesures de la Figure 96 et la Figure 97 194 Tableau 30 Ensemble des fonctions de transfert mod lis es pour la r ponse en fr quence du SOME es eebe 203 Tableau 31 Caract ristiques fr quentielles du syst me repr sent dans la Figure 104 et la Figure VO G EE 203 Tableau 32 Caract ristiques temporelles du syst me obtenues partir de la mod lisation de la r ponse indicielle du syst me iii 204 Tableau 33 R glage des param tres PID selon la m thode d velopp e par Ziegler J G et Nichols N B 1942 EE 209 Tableau 34 Param tres PID obtenus pour chacun des axes gr ce la m thode empirique de Ziegler feele TE 210 Tableau 35 Moyennes et erreurs rms calcul es pour les param tres Xo Yo Ax Ay et po de l ellipse pendant une course nominale en mono r flexion et multi r flexion avec asservissement 1 Valeurs des param tres mesur s dans le sens positif de la course 2 valeurs des param tres mesur s dans le sens n gatif de la course Les valeurs ont t calcul es partir de la normalisation de donn es cf quation 100 iii 223 Tableau 36 Classement de l impact des erreurs pouvant tre rencontr es dans une mesure interf rom trique dimensionnelle d apr s le manuel d utilisateur d Agilent Technologies 2002 231 Tableau 37 Performances sur les mesure
300. plan de test Des diff rentes proc dures de caract risation et de test ont t mises en place lors de la r alisation du banc d monstrateur Un bo tier lectronique fait maison permet de relier les signaux d entr e et de sortie de la carte NI PCI 6289 sur chacun des composants contr ler voir Figure 79 L ensemble du banc a t branch un isolateur pour liminer les fr quences parasites 50 Hz du secteur Une tresse de masse relie le banc au secteur La platine de translation est initialement configur e avec les param tres de course fix s par le cahier des charges Les param tres du r gulateur PID sont ajust s par la m thode empirique de Ziegler Nichols voir paragraphe 18 2 5 L initialisation du mouvement de la platine d clenche le d marrage du syst me de mesure et d acquisition lin aire et du syst me d asservissement angulaire Tout comme pour la boucle d asservissement il n existe pas de contr le exact du temps de gestion et synchronisation entre les diff rentes boucles d acquisition programm es ceci emp che un traitement en temps r el Les donn es seront buff ris es pour tre enregistr es et enfin analys es apr s acquisition L ensemble des tests r alis s sur la maquette sont r sum s dans le Tableau 26 et se d rouleront en d tail suivant l ordre de la section 18 Suite aux probl mes rencontr s lors de la mise en uvre de la maquette le facteur de gain sera limit 2N 4 I
301. ppel e longueur d onde de Rayleigh la lumi re incidente rase le profil du r seau et Saute vers un ordre de diffraction sup rieur Le champ diffract au seuil de cette singularit correspond la transformation d une onde de diffraction propagative en une onde de diffraction vanescente et vice versa La cause des anomalies s explique donc selon cette th orie par une redistribution de l nergie diffract e entre les diverses ondes planes chappant du r seau L approche de Rayleigh est suffisante dans la mesure o elle 258 d crit correctement les effets de la polarisation S mais incompl te car elle ne pr voit pas l apparition d anomalies de type P Malia Salar Figure 137 Photographies du spectre d une lampe incandescente telles que parues dans l article de RW Wood en 1935 La figure not e comme 3 montre les variations du spectre mesur es en fonction de l angle d incidence de 0 46 Les diminutions d intensit en fonction de la longueur d onde correspondent aux anomalies de Wood La variation de zones d anomalie de chaque longueur d onde pr sente un comportement lin aire avec l angle En effet un mod le ondulatoire scalaire n est pas suffisant car il permet d tudier le comportement du champ EM limit aux effets li s la diffraction seule Le d veloppement de Rayleigh n est valide alors que pour des r seaux relief faiblement module car il ne tient pas compte des effets de l
302. que et les tats d ionisation de lHydrog ne Les flux d mission et d absorption des plasmas en combinaison avec le magn tisme environnant peuvent par exemple donner comme r sultat la modulation des vitesses Doppler ainsi que de la sym trie des profils observ s Curdt et al 2001 2010 Finalement et dans le cas d observations r alis es par des vols de fus e ou des satellites en orbite terrestre une correction des mesures photom triques suite l absorption g o coronale doit tre mise en place voir Figure 16 L ensemble de ces effets sont consid rer minutieusement lors de la synth se du mod le de transfert radiatif et chaque structure ou processus pr sentera un probl me physique diff rent Une solution compl te du probl me devra en plus inclure le couplage des quations de transfert radiatif aux diff rentes quations de contrainte du milieu quilibre thermodynamique local g om trie et conditions limites du probleme La formation du rayonnement Lyman alpha peut tre tudi e en d tail en s parant la fonction de transfert en diff rentes fonctions des redistributions partielles en fr quence tout point de la ligne de vis e Paletou 2001 Labrosse et al 2010 La possibilit de comparer le comportement physique de cette raie aux comportements des raies environnantes Lyman B K Ca He I He Ill constitue un puissant compl ment Etant donn e l h t rog n it du probl me les efforts de m
303. qui apparaissent comme des taches sombres dans tous les rayonnements X EUV et radio situ es souvent pr s des p les du soleil voir Figure 6 Il s agit de r gions plus froides et tr s stables de l ordre de plusieurs rotations solaires par rapport au reste de l environnement dans la couronne Ces structures deviennent plus importantes lors des minima d activit solaire en s tendant vers l quateur et en pouvant se fusionner aux trous de basse latitude et m me polarit de champ magn tique Les lignes de champ magn tique y sont ouvertes et s tendent dans le milieu 45 interplan taire ce qui justifie leur faible densit un facteur de l ordre de 5 70 fois plus faible par rapport au reste de la couronne les particules charg es contenues dans les trous libres de toute contrainte magn tique quittent la couronne pour former partie du vent solaire Figure 5 gauche jection de mati re coronale accompagn e de l ruption d une protub rance observ es par le coronographe LASCO SoHO source NASA A droite image composite du Soleil enregistr e par l imageur A A SDO Les diff rentes couleurs correspondent aux bandes passantes des canaux Fe XIV a 21 1 nm Fe XII et FeXXIV 19 3 nm et FelX 17 1 nm de l imageur A A SDO donnant acc s aux temp ratures T 6 3x10 2x10 K des diff rentes couches de la couronne source SDO NASA Figure 6 A gauche boucles coronales observ es au sein d une r
304. r c demment d pendra en r gle g n rale de La puissance de la source de r f rence l efficacit optique du banc savoir les taux de transmittance et de r flectivit des diff rentes optiques passives ainsi que l efficacit des d tecteurs Le bruit dans la chaine d acquisition La lumi re parasite sur les d tecteurs qu elle soit sous forme de lumi re ambiante ou de r flexions parasites Le nombre de r flexions mis en place dans la configuration multi r flexion La r solution finale du dispositif sera limit e par le rapport signal sur bruit La stabilit en vitesse de d placement de la platine de translation n est pas connue avec pr cision M me si les pas d chantillonnage sont fournis par une horloge spatiale les variations de vitesse peuvent ajouter des erreurs cause du d calage temporel entre la position r elle du miroir et le signal de sortie correspondant voir aussi le paragraphe 8 3 2 3 de la section du chapitre Il L lectronique d acquisition doit donc tre suffisamment rapide pour ne pas contribuer de fa on significative au budget d erreur A ce sujet une autre limite fondamentale et relative l chantillonnage intervient aussi lors de l acquisition En effet la relation entre la fr quence d chantillonnage fen du syst me d acquisition et la fr quence des franges d interf rence f doit une fois de plus v rifier le th or me de Nyquist fr lt fech Ceci l
305. r flexion Ces valeurs sont en principe suffisantes pour 192 corriger les rotations parasites de la platine de translation mais ne tiennent pas les sp cifications dans le cas de la configuration en mono r flexion Les incertitudes li es ces valeurs sont e erreur sur la distance L 575 mm de parcours du faisceau mesur e qui est de AL 25 mm D apr s la m thode des extr mes si d 200 um tant la surface maximum de d tection l erreur sur langle mesur peut d apr s la relation 87 s exprimer comme max min Yxy T Yxy A Yx y 2 avec ymax SCH TE L AL ymin xy Y L AL L incertitude sur l erreur de distance est alors de 75 7 urad sur une plage de 350 urad de mesure angulaire soit 4 en mono r flexion cette incertitude tant aussi valide en multi r flexion e Les d fauts d orientation du d tecteur de position un d salignement de 7 de la t te du d tecteur implique une incertitude de 4 um soit 3 5 urad projet s sur la surface calibr e du d tecteur en mono r flexion et 0 9 urad avec 2N 4 ce qui quivaut une erreur relative de 0 1 Finalement la r solution attendue pour le d tecteur de position est d environ 3 5 4 urad en configuration classique et d environ 0 9 4 urad en multi r flexion Des mesures de la stabilit long terme du syst me de pointage sont repr sent es sur la Figure 95 Ces graphiques montrent la position du spot sur les axe
306. r en entr e du systeme 45 Le r glage du reste des lames de retard MA et MA se fait alors en mesurant la puissance laser en sortie de la diode ateral effect voir Figure 74 Ainsi pour la lame de retard du bras fixe de l interf rom tre A 4 on r gle d abord laxe de M2 jusqu avoir une polarisation purement verticale le faisceau transmis par PBS est compl tement teint puis on fait tourner 4 jusqu avoir une extinction totale du faisceau en sortie du d tecteur LEPD Inversement si l on veut ajuster l orientation de la lame de retard du bras mobile 4 4 on r gle en entr e une polarisation lin aire horizontale Le syst me est ainsi correctement d fini des erreurs d alignement de 5 2 rms Le d tecteur de position est r glable sur les trois directions de translations de Taxe optique moyennant deux platines de translation microm trique et un plateau l vateur sensibilit 7 um L alignement correct du d tecteur au plan focal de la lentille de focalisation pour avoir une d tection pr cise de l angle de d viation du miroir s est av r difficile Le nombre d incertitudes reli s la position et r glage de la lentille ont finalement d clench la d cision de renoncer l utilisation de celle ci 174 La relation entre les angles de d viation y et y d tect s la surface de la photodiode effet lat ral d fini par les quations devient alors X MR 1 96 Y tan g
307. r est trop large des pertes de gain et des interf rences non souhait es dues aux superpositions de r flexions peuvent aussi se produire Pisani et al 2006 Finalement le choix du nombre de r flexions d terminera la g om trie et les qualit s des miroirs M et M Plus N est grand plus le diam tre des miroirs devra tre important De plus les miroirs devront tre choisis avec une haute r flectivit la longueur d onde de r f rence car le contraste s abaissera avec N croissant Finalement et comme on a vu dans le paragraphe 15 1 4 la qualit des miroirs devient aussi un param tre essentiel quand on envisage d avoir un interf rom tre pr cis du fait d avoir un d placement non parall le Paxe optique voir Figure 71 la plan it rms des miroirs contribuera de fa on pr dominante aux erreurs de mesure de la diff rence de marche optique Cette contribution sera d autant plus pr dominante quand N augmente faisceau laser Figure 71 Illustration gr ce au logiciel ZEMAX du principe de l impr cision f N a induite sur la ddm par le choix des param tres N et a de la configuration multi r flexion Pisani 2006 Dans l exemple a 18 et 0 6 alors N 7 Une erreur en cosinus survient du fait que le miroir se translate parall lement lui m me et suivant un angle a par rapport l axe optique En raison du d calage du motif de r flexion vers le bas les segments rouges dessin s sur
308. r les vibrations induites par le mouvement du miroir une pr cision de 2 5 urads et pour une bande passante gt 440 Hz La plage d action angulaire d pendra des performances du syst me de translation du miroir mais on peut supposer que les d viations maximales seront de l ordre du mrad De m me la force n cessaire pour bouger le miroir ne sera pas un facteur limitant L actuateur retenu est la platine S 330 2SL de chez Physik Instrumente dont l ensemble des caract ristiques techniques sont r sum es dans le Tableau 17 Il s agit d une composante compacte bas e sur l empilement de couches de disques c ramiques s par s par des lectrodes m talliques fines Quatre actionneurs appari s deux a deux et distribu s orthogonalement permettent un contr le des axes X et Y en boucle ouverte Le guidage par lames flexibles assure un mouvement sans a coups ni frictions Un chassis d accueil des deux modules d amplification lectronique type E 505 hautement stables con us pour des applications a haute pr cision et grande bande passante a t choisi pour l alimentation des pi zos En boucle ouverte la r solution th orique r sultante est de 20 nm sur une course de 3 5 mrad et avec une r p tabilit de 0 75 urad une lin arit de 0 1 et un temps de r ponse en dessous de la milliseconde Le diam tre de la platine est de 25 4 mm et elle poss de une structure a faible dilation thermique r alis e en Invar L ensemble de ces
309. rac de rayons dans ZEMAX et du traitementEET dans IDE its an a Aaa adi cd 109 Figure 48 Variations du spectre en fonction des d fauts sur le pas d chantillonnage 110 Figure 49 Exemple de la d gradation de la sensibilit de l instrument LPSP OSO 8 L axe des ordonn es repr sente les variations de sensibilit relatives l abscisse repr sente le temps en jours een EE 117 Figure 50 Repr sentation du cycle d activit solaire n 23 tel que observ par la mission SoHo image source NASA la p riode moyenne de l activit solaire est de 11 2 ans L activit solaire se manifeste par l apparition de r gions actives 118 Figure 51 Sch ma optique du spectrom tre SUMER SoHO source Le syst me d imagerie est bas sur un t lescope dont l ouverture est de 90x130 mm2 form par deux paraboles hors axe Le miroir primaire collecteur permet de faire le balayage spatial de la sc ne Quatre fentes diff rentes 1 x300 1 x120 0 3 x120 et 4 x300 sont interchangeables m caniquement afin de faire varier la r solution spatiale mais aussi la r solution spectrale selon la relation Maillard et al 2012 R 2sina8 x WGDT o a est l angle du faisceau incident sur le r seau 6 est la r solution angulaire donn e par la fente WG est la largeur du r seau et DT le diam tre du t lescope La dispersion du spectre est assur e par une seule r flexion sur un r seau de diffraction conc
310. re 2 En haut a gauche groupe de taches entour par des cellules de granulation convectives visibles a la surface du Soleil et observ grace au t lescope terrestre Swedish 1 meter Solar Telescope depuis La Palma iles Canaries En haut a droite magn togramme indiquant les polarit s des r gions magn tiques des groupes de taches solaires les zones noires repr sentent des r gions o le champ magn tique s loigne de l observateur polarit n gative dans les r gions blanches les lignes de champ magn tique pointent vers l observateur polarit positive Les zones grises correspondent des r gions sans champ magn tique d tectable par l instrument source ESA NASA Instrument MDI SOhO En bas l image du haut est un diagramme de papillon montrant la variation de la latitude d apparition des taches solaires entre les ann es 1870 et 2010 pour les deux h misph res solaires L image du bas montre l volution temporelle du nombre de taches pendant la m me p riode On peut constater que l volution des taches d pend du cycle d activit solaire source NASA 40 1 1 2 2 La chromosph re La chromosph re est la r gion de l atmosph re solaire situ e imm diatement au dessus de la photosph re II s agit d une couche fine 2 500 km C est cette altitude atmosph rique que le r gime thermodynamique du Soleil commence devenir nigmatique au fur et mesure que l on se rapproche de sa limite su
311. re dans les deux cas Dans le deuxi me cas on pourrait supposer que la p riode des sauts observ s tous les environ 0 5 mm se correspond des erreurs dues au m canisme de translation de la platine qui se produisent tous les tours de vis le pas de vis est de 0 5 mm selon la note du fabriquant cf Tableau 24 Si l on soustrait la droite qui s ajuste le mieux ces donn es leur amplitude est de 5 urad dans les deux cas mesur s voir Figure 116 La Figure 117 montre les donn es brutes de mesure de la diff rence de marche optique obtenues pendant une course nominale avec et sans r gulation PI La pr sence d un offset syst matique sur x et y apr s asservissement met en vidence l existence du d calage angulaire mesur 213 Signal d erreur sur PSX mono r flexion sans asservissement 15 10 erreur PSX micrometres 5 0x10 1 0x10 1 5x10 06d ch 1 5x10 1 0x10 5 0x10 nal d erreur sur PSX mono r flexion sans asservissement Si 15 10 un erreur PSY micrometres o D ech o PR u 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 113 D viations angulaires mesur es en mono r flexion exprim es en microm tres sur la surface du d tecteur de position en fonction de la course d chantillonnage du miroir correspondant une diff rence de marche optique et vitesse nominales La courbe bleue repr sente laxe X mesur sur le d tecteur de p
312. re petits 10 mm lt d lt 20 mm et le d salignement global doit tre meilleur que la seconde d arc 104 Modulation du signal en fonction de l alignement angulaire 0 8 0 6 lt 2 5 3 04 E Diam tres d entr e 0 2 d 5mm d 10mm d 15mm da 20mm 0 0 d 25mm 00 02 0 4 06 08 1 0 Arcsecs Figure 44 Modulation du signal en fonction de l alignement angulaire en secondes d arc et de diff rentes valeurs du diam tre du faisceau d l entr e de l IFTSUV et pour une longueur d onde centrale de 121 567 nm 8 3 1 8 Qualit des surfaces optiques Les effets de modulation du signal occasionn s par les d fauts de qualit des surfaces optiques M 6 peuvent sont d crits par la relation suivante Hearn 1999 M 8 1 2 n20 lt 6 gt 23 o lt gt repr sente la qualit de surface rms Le graphique de la Figure 45 montre les pertes th oriques induites par la qualit de l image des optiques Ce poste impose des tol rances tr s s v res sur les surfaces optiques constituant le bloc interf rom trique 105 Modulation A U 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 rrrrrrrrrrrrrrrT 0 0 a EUR ee ee ER RS CUS A ER ee ee a ee 10 15 20 25 nm rms o an Figure 45 Modulation du signal en fonction de la qualit de surface optique lt gt en nm rms et pour la longueur d onde centrale 121 567 nm 8 3 1 9 Efficacit des r seaux Le faisceau incident sur le premier r
313. re variation of response vs wavelength for 818 UV 818 SL Relative shunt resistance vs temperature Temperature variation of response vs wavelength 818 UV 818 ST 818 SL 818 ST 818 IS 1 ie 818 IR 818 1G g Figure 67 Courbes caract ristiques des photodiodes 818 SL fournies par Newport 15 1 3 R glages du sous syst me Les erreurs d alignement angulaire conduisent une d viation de la superposition du faisceau provenant du bras de mesure et celui qui vient du bras de r f rence Le cisaillement entre les faisceaux de r f rence et de mesure r sultera en une perte de contraste du signal de mesure cet effet tant d autant plus important que le miroir cible s loigne La valeur de tol rance demand e par le cahier des charges de l instrument 154 IFTSUV est de 2 5 urad Les d fauts d alignement et r glage du syst me produisent non seulement un abaissement du SNR mais aussi une mauvaise estimation de la diff rence de marche Ils peuvent regroup s en deux grandes cat gories les erreurs de type cosinus et les erreurs de Abbe L erreur dite de cosinus peut survenir cause d un d salignement angulaire 5 entre laxe optique d fini par le faisceau incident du laser de mesure et l axe du mouvement de translation du miroir Le d placement mesur x devient donc inf rieur la distance r elle parcourue x selon la relation x xcos 78 L erreur de d placement mesur Ax p
314. rfaces lectroniques de test permettant de r aliser l ensemble des tests de caract risation du banc u a a a nie 178 Figure 78 Diagramme d interfaces de contr le du d monstrateur deux modules analogiques PID Sim 960 permettent de fermer la boucle de contr le PID nennen 178 Figure 79 C blage du bo tier d entr e sortie de la carte d acquisition 179 Figure 80 Mesure nocturne des photodiodes en quadrature de phase A gauche Michelson homodyne classique sans asservissement figure du haut et avec asservissement figure du bas a droite syst me en configuration en multi r flexion 2N 4 non asservi figure du haut et asservi figure du bas La plage de mesure s tend sur 8h 184 Figure 81 Mesures de temp rature absolue et humidit relative prises a la station d talonnage pendant les mesures nocturnes de test de stabilit du syst me voir aussi Figure 80 et Figure 82 184 Figure 82 Mesures de pression prises la station d talonnage pendant les mesures nocturnes de test de stabilit du syst me voir aussi Figure 80 et Figure 81 185 Figure 83 Param tres d amplitude obtenus en fonction de la course du miroir pour une configuration en multi r flexion Apr s soustraction de la droite d ajustement cf Figure 91 187 Figure 84 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant de piloter la course du miroir et d acqu rir et afficher les signaux en quadrature de phase en
315. rme 1 cos sur chaque pas d chantillonnage ZEMAX permet de calculer la valeur exacte de ce cosinus directeur le d placement m canique sera finalement de x cos d cos 2 824 nm 95 8 1 3 R solution spectrale L ensemble des param tres concernant l chantillonnage et la r solution spectrale de instrument sont r sum s dans le Tableau 5 Tableau 5 Ensemble des param tres d chantillonnage de l FTSUV Param tres d chantillonnage 121 567 nm ISL 4 6 nm 3113 74 cm Pas d chantillonnage th orique 0 1606 nm Pas d chantillonnage m canique dx 824 nm R solution OA 0 005 nm do 3 38 cm Pouvoir de r solution R 24000 Echantillonnage Nombre de pas N 2222 OPD th orique 3 567538 mm OPD m canique 1 830928 mm 8 2 CHAMP DE VUE ET RESOLUTION ANGULAIRE 8 2 1 Syst me d imagerie Le champ de vue objet est un carr centr sur laxe optique de 250 x 250 de c t est image par une pupille de diam tre D 40 mm Le collimateur l entr e form par une parabole primaire OAP 1 et une secondaire OAP 2 cr e un faisceau parall le dans l espace interm diaire ayant le diam tre correct et la qualit d image suffisante pour son utilisation interf rom trique Dans cette configuration et pour avoir un syst me compact avec un grandissement M 4 l ouverture du t lescope est A20 Ces conditions conduisent des distances focales far 800 mm et
316. rone ou g o synchrone inclin e de fa on pouvoir faire la liaison de donn es scientifiques par bande X 8 12 GHZ 9 3 2 T l m trie Les techniques hyperspectrales telles que celle qui fait l objet de cette tude sont connues pour leur gourmandise et expriment un besoin important en t l m trie Un calcul rapide bas sur l hypoth se d une num risation de donn es sur 72 bits r sulte en un d bit de donn es d environ 700 Mbps n cessaire l acquisition d un cube de donn es de 2222 images spectrales sur un d tecteur 512x512 pixels et pour un temps d acquisition de 10 s Des algorithmes de compressions jusqu un taux de compression de 20 peuvent tre mis en place mais le volume de donn es d passerait quand m me les taux de transmission disponibles sur une orbite h lio synchrone Dans le cas d une orbite g osynchrone il suffit d effectuer un binning 2x2 bord pour obtenir un taux de t l mesure de l ordre de celui de SDO Des programmes d observation sur des sous champs une r solution spectrale plus faible et ou avec des temps d int gration lev s peuvent aussi tre envisag s pour r duire le volume de t l mesure 115 9 3 3 Thermique Du fait de l absence d atmosph re les seuls changes thermiques sur une plateforme satellite ont lieu par rayonnement des composants ou par conductivit travers les structures solides Le rayonnement de chaleur est en grande partie d aux dissipati
317. rreur de au moins 32 nm rmssur la mesure 165 de la diff rence de marche optique cf paragraphe 15 3 et Tableau 22 Une plan it de surface sup rieure a 4 80 serait n cessaire pour le gain en multi r flexion 2N 56 sp cifi Les miroirs poss dent une paisseur de 72 mm et une masse de 66 g ce qui d apr s la relation 47 l ve la fr quence de r sonance th orique du syst me pi zo environ 965 Hz Leur taux de r flectivit est de 99 9 sur le 80 de surface utile et la longueur d onde d un laser He Ne 632 8 nm Cette r flectivit lev e r duit les pertes de signal dans le systeme et permet d utiliser un laser faible puissance dont les performances en termes de stabilit et de pointage sont souvent sup rieures Les caract ristiques techniques du laser de r f rence sont r sum es dans le Tableau 25 L ensemble du d monstrateur peut tre globalement contr l via PC gr ce au logiciel Labview 2011 et une carte d acquisition N PCI 6289 Cette carte permet d acqu rir jusqu 16 voies d entr e analogiques avec une r solution de 78 bits une fr quence d chantillonnage de 625 k ch s et une pr cision de 980 uV sensibilit de 24 uV pour une gamme de tension allant de 70 10 V Cette carte poss de aussi quatre voies de sortie analogiques de 76 bits a une fr quence de mise jour de 2 89 M ch s par voie et une pr cision de 259 uV dans la gamme de 7 7 V de sortie La r solution de phase don
318. rs le milieu transparent qui est optiquement mince La formation du profil des ailes peut tre mod lis e selon des m thodes d inversion directe qui permettent de tracer l opacit en fonction des densit s du milieu et de pouvoir ainsi parametriser les diff rents valeurs de temp rature pression Gayley 1992 Gunar 2007 Heinzel 2007 Finalement l mission Lyman alpha est un outil indispensable l estimation du bilan nerg tique du Soleil car elle contribue de fa on dominante aux pertes radiatives dans la haute chromosph re Vernazza 1981 et Figure 14 Bien que le rayonnement Lyman alpha ait des propri t s formidablement exploitables les origines de sa formation d pendent cependant des nombreux processus physiques qui d terminent les diff rentes temp ratures et densit s ainsi que du degr d ionisation du milieu La r solution de ce probleme peut s av rer complexe et doit tenir compte des ph nom nes issus de la physique atomique tels que e les redistributions des fr quences dans les diff rents r f rentiels atome observateur apr s diffusion 56 e la d termination pr cise des conditions d ionisation du milieu atmosph rique consid r radiatives par re mission ou non radiatives suite un r gime collisionel e la destruction thermalisation du photon mis L interaction mati re rayonnement en pr sence de champs magn tiques importants complexifie d autant plus la cin mati
319. s une chelle moindre L acronyme PZT est donn pour Titano Zirconate de Plomb Il s agit d un mat riau c ramique poly cristallin qui constitue depuis 1954 la premi re grande source de ferro lectriques Les c ramiques PZT existent dans de nombreuses vari t s et sont depuis devenues majoritaires dans des applications demandant une pr cision et un contr le de d placement importants La pi zo lectricit r sulte essentiellement de l existence de dipdles lectriques internes dans des cristaux structure dite non centrosym trique Cette propri t est pr sente sur vingt des trente deux classes cristallines existantes Dix des vingt classes cristallines pi zo lectriques pr sentent une polarisation lectrique spontan e en absence de champ lectrique elles sont appel es pyro lectriques Les cristaux ferro lectriques constituent finalement un sous groupe des 70 classes de cristaux pyro lectriques voir Figure 61 Ils sont caract ris s par la pr sence d une polarisation lectrique spontan e et permanente en dessous d une temp rature caract ristique appel e temp rature de Curie Cette polarisation est due l existence de regroupements de dip les dont les directions de polarisation sont uniformes et homog nes Ces zones de m me orientation sont appel es domaines de Weiss qui sont s par s par des parois de Bloch lectriquement perturb es formant des angles fixes Sous l action d un champ lectr
320. s dangers de nombreux programmes spatiaux sont d di s l tude de la m t orologie spatiale en observant le Soleil en permanence de fa on pr venir et r agir temps contre ce genre de ph nom nes La convection issue de la basse photosph re conduit non seulement aux transports de mati re travers les spicules qui se forment aux bords du pavement supergranulaire mais aussi la constitution d un r seau magn tique qui fait appara tre un motif de points brillants clignotant dans la couronne Observ s aux longueurs d onde EUV et X ces points brillants sont vus comme des petites boucles localis es en dehors des r gions actives Leur existence peut donner lieu a des ruptions solaires de petite dimension Bien que l ampleur de ces v nements soit inf rieure celle de ses grandes s urs produites au sein des r gions actives protub rances le nombre de points brillants qui pars ment la couronne semblerait suffisant pour contribuer de fa on significative au chauffage de celle ci D autres ph nom nes caract re intermittent sont les plumes solaires Il s agit de structures fines 7 000 km de diam tre et lumineuses ne pas confondre avec les spicules qui coiffent la couronne suivant les lignes radiales du champ magn tique ouvert pr sent dans les p les du Soleil Les plumes sont observables dans les p riodes de minimum d activit solaire Les trous coronaux sont des r gions grande chelle
321. s X et Y du capteur ainsi que la puissance laser pour les deux configurations tudi es sans asservissement Ces mesures ont t synchronis es pour tre pr lev es en parall le la campagne de tests d crits dans le paragraphe 18 1 1 On observe deux effets importants une l g re d rive temporelle du pointage et une modulation du signal Le premier effet de d rive observ sur le long terme peut probablement tre d soit aux inerties thermiques des composants soit au rel chement des ressorts au niveau des fixations des r glages L amplitude de la d rive est lt 4 um en mono r flexion et de l ordre de 70 um en multi r flexions valeurs P V Les modulations observ es correspondent aux modulations des interf rences parasites au niveau des deux d tecteurs en quadrature de phase voir Figure 80 La formation des franges modifie le barycentre du spot de pointage sur la surface de la photodiode effet lat ral Elles se manifestent aussi comme des variations de la puissance laser mesur e Figure 95 et sont parfaitement corr l es aux mesures sur les d tecteurs en quadrature de phase r alis es en parall le voir Figure 80 La puissance moyenne incidente sur le d tecteur de position est de 0 251 mW 2 de variations dues aux interf rences dans le cas du Michelson classique et de 0 270 mW 1 pour le Michelson amplifi L amplitude de l erreur de position due aux modulations est de 4 um P V dans les deux cas L invari
322. s communes sont les estimations de type param trique bas es sur une approche polynomiale AR ARX ARMAX et celles non param triques bas es sur l analyse de la corr lation entre les entr es et les sorties Ces deux m thodes sont compl mentaires dans le sens o elles permettent de v rifier le mod le obtenu par comparaison des r sultats obtenus par chacune des estimations Finalement la notion de stabilit sera fondamentale dans le d veloppement de l architecture de commande une boucle instable est dans la pratique une boucle inutilisable On d finit g n ralement un syst me comme tant stable si une entr e born e correspond une sortie born e On peut aussi dire qu un syst me est intrins quement stable si l ensemble de ses fonctions de transfert sont stables Il existe plusieurs m thodes servant quantifier le niveau de stabilit atteint par le syst me Le crit re de Nyquist en est un exemple Pour qu un syst me en boucle ouverte soit stable en boucle ferm les p les de sa fonction de transfert devront tre parties r elles strictement n gatives Dans le cas de syst mes complexes une autre m thode pouvant tre utilis e est celle du calcul des marges de gain et de phase On d finit la marge de gain de la fonction de transfert en boucle ouverte comme l amplitude r ciproque prise la fr quence o la phase du syst me vaut 180 1 55 Mg 20 log rail avec arg T jw 180 59
323. s deux axes des pi zo actuateurs par un algorithme appropri d fini gr ce aux mesures de calibration e Application de l action sur chacun des deux axes X et Y des pi zo actuateurs et mesure des r ponses s t et s t en sortie du d tecteur de position L erreur statique ou pr cision de notre syst me est de 2 5 urads mesur s sur le d tecteur La consigne doit tre atteinte dans un temps lt 2ms Compte tenu de sa nature performante mais l mentaire ainsi que du temps et des ressources mises la disposition de cette th se le choix s est port sur un r gulateur de type PID Les boucles de r gulation PID poss dent une structure d ordre restreint qui ne d pend pas de celle du syst me commander et elles peuvent tre donc synth tis es d une fa on relativement simple et performante pour r pondre aux besoins de nombreux proc d s Garcia 2006 Elles peuvent tre r alis es num riquement et sont disponibles dans tous les logiciels de commande automatique Labview Simulink et aussi sous forme de modules analogiques programm s En vertus de ces qualit s les contr leurs de type PID sont souvent le premier choix prendre en compte lors d une application sauf vidence pratique qui vienne d montrer le contraire Garcia 2006 Elles sont d ailleurs utilis es dans plus de 90 des asservissements industriels 146 La boucle de r gulation PID r sulte de la somme de trois actions sur le sy
324. s le paragraphe 1 3 trois diff rentes solutions instrumentales seraient potentiellement adapt es un spectrom tre transform e de Fourier un spectrom tre h t rodynage spatial et le spectrom tre dispersion Parmi ces techniques le seul syst me ayant un h ritage de mission solaire spatiale est le spectrom tre r seau SUMER CDS Cependant aucun spectro imageur n a t de nos jours mis en vol dans ce but Malgr les multiples avantages des spectrom tres TF c f paragraphe 6 cette technique ne jouit pas d une tr s grande popularit Ceci est d principalement l apparente complexit lors de sa mise en uvre Contrairement aux spectrometres a dispersion et les ISHS lIFTSUV n cessite d un calcul moins direct lors de l obtention du spectre et pr sente un design on reux o doit intervenir un m canisme d chantillonnage de diff rence de marche tr s pr cis Cependant bien qu la base les sch mas optiques de LEMUR ou ISHS soient plus simples et profitent d un certain h ritage technologique leur potentiel imageur ne peut tre atteint qu au d triment de leur robustesse car il est n cessaire de mettre en place un m canisme de balayage fin du champ de vue La pr cision et la stabilit de ce genre de m canisme seront certainement d licates notamment lors de la poursuite de ph nom nes rapides dans l atmosph re solaire De plus les pertes d clairement de ces spectrom tres d
325. s lin aires du syst me usrssesnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnn 232 Tableau 38 Performances du syst me d asservissement 2uuu0sunusnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 232 Tableau 39 R sum des performances atteintes par la configuration en multi r flexion 234 Tableau 40 Principales propri t s de la transform e de Fourier 250 23 Tableau 41 Transformation des principales fonctions 251 24 NOTATIONS ET DEFINITIONS ACRONYMES ADC Analog to Digital Concerter convertisseur analogue num rique BS Beam Splitter CCD Charged Coupled Device CDS Coronal Diagnostic Spectrometer CME Coronal Mass Ejection CNES Centre National d Etudes Spatiales DDM Diff rence de Marche DESIRS Dichroisme Et Spectroscopie par Interaction avec le rayonnement Synchrotron EIS Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer EUI Extreme Ultraviolet Imager ESA European Space Agency FOI Faraday Optical Isolator FOV Field Of View FRF Frequency Response Function GOLF Global Oscillations at Low Frequencies H W Hardware IAS Institut d Astrophysique Spatiale IFTS Imaging Fourier Transform Spectrometer IFTSUV Imaging Fourier Transform Spectrometer working in the VUV IMPACT In situ Measurements of Particles and CME Transients ISHS Imaging Static Heterodyne Spectrometer ISL Intervalle Spectral Libre LASCO Large Angle and Spectrometric Coronograph LEMURE Large European Module for Solar Ultraviolet Research
326. s mesures sont repr sent es sur la Figure 98 axe X et la Figure 99 axe Y L exemple montre bien comment l amplitude des effets d hyst r sis est d autant plus importante que la plage des tensions en sortie est grande Elle peut atteindre des valeurs l g rement sup rieurs 20 pour des sorties 100 um mesur es sur les deux axes en mono r flexion Inversement les effets sont quasiment inobservables pour la plage 70 um en monor flexion et compl tement n gligeables en dessous de la plage 50 um pour le syst me en multi r flexion car la dispersion des points est de l ordre de la pr cision estim e du d tecteur Le facteur de gain est nouveau v rifi travers de cette exp rience le rapport entre les consignes en entr e des pi zo actionneurs pour la configuration en mono r flexion et la configuration amplifi e si on consid re les m mes plages de sortie de mesure est de quatre pour les deux axes D apr s les r sultats du paragraphe pr c dent l amplitude plus importante de d viations attendues en sortie du d tecteur est inf rieure 10 um en mono r flexion lt 40 um en MR pour l axe X et inf rieure 15 um en mono r flexion lt 60 um en MR pour l axe Y L effet de la configuration en multi r flexion est clairement b n fique sur les plages de correction requises car elle permet de r soudre plus pr cis ment les d viations tout en sollicitant moins les actionneurs pour leur correction Cependant Taxe
327. s observations ne peuvent tre faites que depuis l espace cf sections 1 2 et 2 1 La couronne est un milieu fortement h t rog ne qui constitue l habitat de nombreuses structures couvrant les plus diverses chelles spatiales temporelles et d nergie pouvant tre observ es sur huit ordres de grandeur diff rents Les r gions actives sont des combinaisons de plasma et champ magn tique en constant tat d volution structurale Elles constituent un ensemble d piph nom nes qui regroupent des figures photosph riques taches chromosph riques plages filaments et des groupes de boucles coronales L apparition de l ensemble de ces ph nom nes est intrins quement li e au cycle d activit magn tique Les ruptions solaires ne pas confondre avec celles des protub rances sont li es des r gions actives comportant des taches et se caract risent par une r organisation du champ magn tique et des structures coronales du milieu environnant La phase de croissance des ruptions ne dure que quelques minutes Le plasma se rechauffe alors rapidement passant de la temp rature coronale quelques millions de K de centaines de millions de K Ceci s accompagne donc d un intense rayonnement dans les gammes des ondes radio des EUV des rayons X mous mais aussi des X durs l nergie lib r e pouvant atteindre les 10 Joule Les boucles magn tiques sont comme on l a dit des arches g antes 7 000 000 km de haut
328. seau sera proportionnelle l intensit du ph nom ne d interf rences donn e par le contraste Imax Imin 120 Imax Imin C Le montage doit se r aliser dans un environnement contr l pour viter toute perturbation du front d onde Cette technique permet d obtenir des r seaux des r solutions de 5000 traits mm Le parall lisme entre les traits d pend de la fa on dont les faisceaux d interf rence sont strictement collimat s Ecrire sur des grandes surfaces de substrat est possible dans la mesure o les faisceaux peuvent tre largis Le moulage masque partir de la matrice permet d obtenir des r pliques de haute qualit Le transfert du motif l mentaire se fait en insolant le masque sur le nouveau substrat La fabrication de lots de r seaux peut tre ainsi entreprise avec une tr s grande reproductibilit voir Figure 141 Pour obtenir des r seaux blaz s ou encore profil laminaire ou aussi trap zo dal on peut modifier le profil des r seaux par la technique de gravure par faisceaux d ions ion etching Elle peut m me tre r alis e directement dans le mat riau du substrat utilis car elle n introduit pas des d fauts additionnels de surface Une tape finale d vaporation d une couche mince d aluminium rend le dispositif parfaitement r flecteur La haute r flectivit de l aluminium est maintenue par des rev tements multicouches de Fluorure de Magnesium MgF Ce d p t additio
329. seaux gt 34 Ces effets sont la cons quence directe de la gamme spectrale de travail Le deuxi me point est intrins quement li aux techniques de spectroscopie a TF qui demandent une tr s haute pr cision lin aire de l ordre de 8 nm et stabilit angulaire de l ordre de 2 5 urad lors de la course d chantillonnage du miroir scientifique Dans ce sens la et en parall le la d finition de l instrument le maquettage d une solution m trologique a pu apporter une premi re validation pratique du concept FTSUV La philosophie du syst me repose sur le principe de multi r flexion permettant d atteindre les pr cisions annonc es et bas sur le concept m trologique utilis avec succ s sur le spectro VUV de la ligne DESIR du synchrotron 245 SOLEIL La mesure dimensionnelle de la diff rence de marche est r alis e par un interf rom tre de Michelson homodyne coupl une boucle de r gulation pour maintenir la stabilit angulaire du miroir d acquisition Le d veloppement de la maquette a pu tre men jusqu au bout grace la demande de R amp T du CNES R S11 0T 0004 040 associ e au projet La r alisation du banc d monstrateur a t assujettie des contraintes de nature diverse qui ont emp ch d atteindre les performances souhait es Fondamentalement le syst me de mesure n a pas pu tre aussi pr cis que souhait car d une part il s est av r impossible de le r gler au facteur de multi r
330. sent es en prad par les courbes bleue axe X et verte axe Y ont t mises l chelle apr s soustraction des droites de meilleur ajustement obtenues dans les mesures repr sent es dans la Figure 115 Les mesures en configuration en mono r flexion sont superpos es en couleur claire apr s soustraction des droites de meilleur ajustement obtenues dans les mesures repr sent es par la Figure 114 Elles pr sentent un tr s bon accord entre elles et montrent l existence d une erreur angulaire syst matique dans la platine qui se reproduit tous les 0 5 mm 216 Figure 116 Mesures brutes des signaux en quadrature en configuration classique gauche et en multi r flexion droite en noir la courbe repr sente la mesure sans asservissement en rouge la courbe repr sente la mesure avec asservissement 18 3 2 Caract risation de la diff rence de marche optique 18 3 2 9 Mesures sans asservissement La Figure 118 et la Figure 119 repr sentent l erreur moyenne sur la ddm calcul e difference entre la course mesur e et la droite d ajustement des donn es en fonction de la course et pour chacune des deux configurations sans asservissement On observe dans les deux cas des variations syst matiques de cette erreur tous les 0 5 mm Cette erreur se reproduit au m me endroit o sont observ s les sauts angulaires sur les axes X et Y du d tecteur de position Leur amplitude est d environ 1 800 nm P V dans les deux cas tudi s
331. sform e de la porte Cette transform e de Fourier tant un sinus cardinal on d finit la r solution spectrale de l instrument comme la largeur mi hauteur FWHM _ 1 207 4 5 2 CHAMP DE VUE ET RESOLUTION ANGULAIRE 5 2 1 Syst me d imagerie Le syst me d imagerie est assur par un ensemble de trois miroirs paraboliques hors axe respectivement nomm s OAP 1 OAP 2 et OAP 3 La Figure 28 illustre le principe et int gration du syst me d imagerie il consiste en un syst me de collimation l entr e du IFTSUV form par deux de ces miroirs paraboliques OAP 1 et OAP 2 et une derni re troisi me parabole OAP 3 en sortie de l interf amp rometre pour imager le champ sur le plan focal de la matrice de d tecteur Les paraboles OAP 1 et OAP 2 sont plac es en entr e formant un syst me afocal de grandissement M Did D tant le diam tre d ouverture du syst me d le diam tre du faisceau collimat La relation des distances focales entre les paraboles OAP 1 et OAP 2 est foap 2 d X F 5 o le rapport d ouverture ou nombre f est exprim comme At D fosp s foaps tant la focale du miroir primaire Le dernier miroir OAP 3 focalise la sortie interf rom trique sur la matrice de d tecteurs 78 d tecteur R2 SZ Ms OAP 2 Pupille Figure 28 Illustration de l int gration du syst me d imagerie form par trois miroirs paraboliques hors axe OAP 1 OAP 2 et OAP 3 Ce syst me est confi
332. sites haute fr quence au d triment du signal utile Les param tres de synth se obtenus sur chacun des axes et calcul s a partir des relations de Ziegler Nichols figurent dans le Tableau 34 Tableau 34 Param tres PID obtenus pour chacun des axes gr ce la m thode empirique de Ziegler Nichols CONFIGURATION ae Ke T Hz Kp Ti Hz Monor flexion 1481 1470 1 201 1250 Multi r flexion 0401 1470 0835 1380 Dans la configuration en multi r flexion le gain proportionnel chute 0 35 compar au Kp 1 48 en mono r flexion soit un facteur 4 entre les deux il serait devenu impossible r gler pour une amplification plus lev e car les modules S M960 ne sont pas suffisamment pr cis La Figure 113 montre les r ponses th oriques un chelon unitaire calcul es partir des coefficients empiriques mesur s et des mod les obtenus dans le paragraphe 18 2 4 La commande est atteinte mais la boucle pr sente une allure bruit e en d but de r ponse Cet effet est plus important dans l axe Y et diminue avec la configuration en multi r flexion D apr s les courbes et comme pr dit le paragraphe pr c dent la boucle n est pas conforme la sp cification demand e La mesure de la rapidit peut tre obtenue par le temps n cessaire atteindre un certain voisinage de la valeur asymptotique de la r ponse indicielle et d y rester Ces voisinages sont souvent consid r s
333. soit inclin d un angle dont la valeur coincide avec celle de langle de diffraction souhait Pour les r seaux en r flexion langle de chaque facette est la bissectrice de langle du faisceau incident et celle du faisceau diffract La longueur d onde laquelle l efficacit du r seau atteint son maximum longueur d onde du blaze A est d termin e par langle de blaze Oz 257 Si le profil du r seau est sym trique en sinus en cr neau lamellaire ou trap zo dal l intensit diffract en incidence normale est identique dans chacun des ordres m Il est donc possible d utiliser un r seau comme s parateur de faisceaux d autant plus efficace si seulement les ordres 7 se propagent et que l efficacit dans les ordres m 0 et m gt 1 est faible La condition de Littrow Le profil de blaze des r seaux est calcul par la condition de Littrow qui impose que les rayons incident et diffract soient en auto collimation i d voir Figure 137 Le rendement de diffraction du r seau est alors maximum l ordre et pour la longueur d onde du blaze Ag 2sin g mtdAg m 0 1 42 117 normale du r seau normale du trait DEET Figure 136 Condition de Littrow pour un seul trait d un r seau blaz Effets de la polarisation On ne peut pas ignorer le caract re lectromagn tique de la lumi re qui s exprime lors interaction entre le rayonnement polaris incident et la surface p riodique d un r se
334. sonance et composantes non lin aires dans la dynamique du systeme qui n ont pas pu tre corrig s par la boucle d asservissement PI mise en service dans l exp rience L absence d un talon de mesure a limit l exactitude de positionnement des optiques Les erreurs d Abbe dues aux tangages et lacets dynamiques ont pu tre compens s la pr cision de l organe de r gulation mais pas avec la rapidit sp cifi e cf paragraphe 20 1 6 Cependant les erreurs statiques d alignement qu elles soient en cosinus ou sous forme d erreurs d Abbe et qui ne sont que sp cifiques a la mesure interf rom trique mais affectent aussi la pr cision du capteur de position ont t des contributeurs majeurs au budget d erreur 235 Afin de diminuer les impacts de l ensemble de ces effets il aurait t souhaitable d avoir un syst me dimensions r duites ce qui n a pas t le cas avec des tenues opto m caniques pr r gl es 20 1 3 Les composants optiques La pr cision du syst me a probablement t contrainte par l utilisation de mat riaux standards Las cubes s parateurs pr sentent des propri t s optiques diff rentes dans les composants s et p de polarisation ce qui veut dire que les coefficients transmission et r flexion du cube ne sont pas pareils Par exemple tant donn un d faut d extinction un faisceau a polarisation verticale peut tre transmis dans la direction de polarisation horizontale
335. spectrale des d instruments actuels emp che un diagnostic pr cis Les processus de reconnexion au sommet des boucles ainsi que des ruptions s accompagnent parfois de brisures du champ magn tique pouvant donner naissance un des v nements les plus spectaculaires dans la couronne solaire les jections de masse coronale CME pour l acronyme anglais Coronal Mass Ejection Ces ph nom nes monstrueux dont l chelle peut parfois d passer la taille du Soleil projettent une gigantesque bulle de plasma contenant des millions de tonnes de mati re form e par des particules extr mement nerg tiques qui sont ject es a des vitesses supersoniques jusqu 2000 km s se propageant dans le milieu interstellaire Leur fr quence d mission d pend du cycle d activit solaire on observe en moyenne une CME par semaine lorsqu on se trouve dans les minima et jusqu deux ou trois en p riodes de maximum activit Ce ph nom ne est particuli rement mis en valeur par les observations de coronographes voir Figure 5 Les CME peuvent tre dirig es vers notre plan te et parcourir la distance Soleil Terre en quelques jours L ampleur de ce ph nom ne peut le faire interagir avec notre atmosph re sous forme d orages magn tiques ce qui se manifeste par des aurores bor ales mais peut aussi interf rer sur les syst mes de communication satellites et endommager les quipements lectriquement sensibles sur Terre En raison de ce
336. st me proportionnelle P int grale et d riv e D sa commande est d crite par de t 58 dt 1 t u t Kp e t al e t dt Kp L action proportionnelle se caract rise par le gain de proportionnalit Kp qui d termine l cart e t entre la consigne et le signal u t Kpe t 59 Cette action sera limit e par la capacit du r gulateur a fournir des signaux de commande avec une amplitude et une bande passante suffisantes sans devenir instables L action int grale I compense l erreur statique de l cart entre la consigne et le signal Elle s exprime par le coefficient T en s qui repr sente le temps n cessaire pour que la variation de sortie soit gale celle de l entr e t u t Kp sl e t dt GE 0 L utilisation de l action int grale doit se faire de fa on prudente car elle peut nuire la stabilit du syst me le poids de cette commande peut entra ner le syst me un r gime ondulatoire du fait de ne pas atteindre la consigne dans le temps demand Finalement une action d riv e caract ris e par le param tre K en s est un compl ment permettant d anticiper les variations de la r ponse et de stabiliser plus rapidement le syst me de t 61 Par d finition cette action r agit proportionnellement la variation de l erreur et non a l erreur elle m me Elle devient donc tr s sensible aux changements brusques de l erreur ainsi qu la pr sen
337. t Moyenne 1 409x10 kom H 74 He 24 O autres l ments lourds 2 AUS ass Composition moyenne Temp rature au centre 1 557x10 K Temp rature de la photosph re 5708 K Temp rature de la couronne 2 3x10 K Distance moyenne a la Terre 1 4959787x10 m 37 Protub rance 4 200 000 km bne Chromosph 2 000 km d de 10 000 4 00 C Noyau 15 000 000 C 250 000 lan Figure 1 Sch ma de la structure du Soleil De l int rieur vers la p riph rie le Soleil est constitu d un noyau source d nergie de l toile deux zones de transfert d nergie vers son atmosph re la zone radiative et la zone convective et quatre couches atmosph riques diff rentes la photosph re la chromosph re la r gion de transition entre la chromosph re et la couronne et la couronne solaire Le vent solaire qui n est pas illustr dans la figure est consid r comme une cinqui me couche atmosph rique qui s tend vers le milieu interplan taire source NASA 1 1 1 La structure interne du Soleil L nergie du Soleil provient des r actions nucl aires de fusion de noyaux d Hydrog ne en H lium qui ont lieu dans son c ur Dans ce milieu grande densit 60 de la masse totale de l toile sont atteints des niveaux de temp rature et de pression extr mement lev s de l ordre de 75 millions de degr s Kelvin et 340 milliards de fois la pression terrestre au niveau de la mer Une fraction de la masse d
338. t Yen Zyatan z Y MR 1 Y y atan 7 Oro yy atan 7 De fa on ce que si y et y sont petits l expression devient MR X Lys OX Ly gy 4Ny L en MR Y Ly gt Y Lyyn 4Ny L Le calcul des d viations requiert donc de la connaissance de la distance L 575 mm qui est la distance orthogonale entre le miroir mobile et le d tecteur de position parcourue par le faisceau laser L interf rom tre de Michelson est r gl en coin d air avec la frange centrale plac e au milieu du champ d interf rences Le miroir de r f rence est r gl de fa on ce que le faisceau vienne frapper au centre de son diam tre et que les faisceaux de r f rence et de mesure soient confondus au niveau du BS2 Le bras de r f rence est alors chariot de fa on avoir une longueur voisine la longueur du bras mobile afin de retrouver la teinte plate Une lentille courte focale permet alors de faire apparaitre des franges d interf rence et de r aliser des r glages fins sur les miroirs et le cube PBS et de fa on augmenter l interfrange et obtenir ainsi le contact optique Ensuite le r glage minutieux de l orientation des lames de retard et des polariseurs permet d ajuster l orthogonalit de phase entre les deux signaux en quadrature en sortie du Michelson voir Figure 74 Afin de r gler le facteur de gain de la configuration en multi r flexion deux solutions peuvent tre entreprises La premi re consiste
339. t instrument figure dans le Tableau 16 Une sp cification plus exhaustive de ces param tres est pour l instant inutile dans l absence d interface satellite Quelques hypoth ses et points tenir en compte dans le cadre d une vraie mission sont num r s par la suite Tableau 16 Dimensions de l FTSUV Dimensions de l instrument TBC Longueur du t lescope 1000 mm Volume du bloc FTSUV 405 x 395 x 197 mm Volume total 1040 x 395 x 508 mm 9 3 1 Orbite Un emplacement favorable pour le satellite pourrait tre l orbite au point de Lagrange L7 Il s agit d une orbite en quilibre instable situ e l ou les gravit s solaire et terrestre s equilibrent Ce type de configuration orbitale re oit le nom d orbite en halo tout objet plac au voisinage du point L1 d crit une trajectoire dite non planaire ou perpendiculaire au plan orbital Au point de Lagrange L1 le satellite regarde donc en permanence vers le Soleil loin de toute influence de la Terre ni clipses ni effets de la magn tosph re et thermiquement stable Il est situ une distance de 7 5 millions de kilom tres de la Terre en dehors de tout parasitage du signal par le rayonnement Ly a mis par la g ocouronne Au d triment de ces avantages cette orbite ne permet pas un d bit de t l mesure lev vers la Terre voir paragraphe 9 3 2 et il appara t indispensable que l instrument FTSUV soit plac dans une orbite h lio synch
340. t est loin d tre lin aire Cependant les niveaux de diaphonie semblent pouvoir tre tol r s par le systeme car l erreur ne d passe pas la pr cision du capteur de position 200 Diaphonie de l axe Y en monor flexion Vin 0 5V 0 5V R ponse axe mm R ponse axe Y mm Diaphonie de l axe Y en MR Vin 0 5V 0 5V R ponse axe mm R ponse ane Y mm Diaphonie de l axe Y en MR Vin 0 1V 0 1V Figure 99 Courbes de diaphonie mesur e sur l axe Y Les plages de consignes sur l axe X sont Vin 0 5 Vet Vn 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 Diaphonie de l axe X en monor flexion Vin 0 5V 0 5V R ponse axe X mm 4 001 Consigne sur PZT Y V Diaphonie de l axe X en monor flexion Vin 0 1V 0 1V Diaphonie de l axe X en MR Vin 0 5V 0 5V Figure 100 Courbes de diaphonie mesur e sur l axe X Les plages de consignes sur l axe X sont Vn 0 5 Vet Vn 0 1 V pour le Michelson classique et le Michelson multi r flexions avec 2N 4 201 18 2 4 Caract risation de la r ponse fr quence du syst me La Figure 102 montre l interface virtuelle Labview con ue pour caract riser les diverses r ponses dynamiques sur chacun des axes de la platine de pi zo actuateurs een m D Ce ege an uni em D Hizpbest E Figure 101 Capture d
341. te nm repetabilite nm o 200 200 400 o 5 0x10 1 5x10 KEEN 1 5 0x10 o 1 0x10 EEN OPD nm OPD nm Figure 120 R p tabilit de la course du miroir en mono r flexion et multi r flexion et sans asservissement 18 3 2 10 Mesures avec asservissement Tout comme pour le paragraphe pr c dent la Figure 122 et la Figure 123 repr sentent l erreur moyenne sur la ddm calcul e diff rence entre la course mesur e et la droite d ajustement des donn es en fonction de la course et pour chacune des deux configurations avec asservissement L asservissement n a pas d effet sur les erreurs syst matiques observ es dont l amplitude reste inchang e Le signal d erreur sur le d tecteur de position est n anmoins corrig La stabilit angulaire obtenue est alors de 3 5 urad pour le syst me en configuration classique et de 0 9 urad pour le systeme en configuration en multi r flexion valeurs qui sont en total accord avec les sp cifications du Tableau 22 Cette am lioration se voit corrobor e par les courbes de la Figure 124 bien que les niveaux de bruit sur la ddm restent inchang s par rapport ceux tudi s dans les exp riences non asservies l analyse fr quentielle du signal d erreur en sortie du d tecteur de position on peut dire que l asservissement r duit les niveaux de bruit jusqu quatre ordres de magnitude par rapport au cas sans asservissement malgr existence du d faut de m canisme
342. te MM Signal_quadrature MIN STOP Nombre de points 5 Nombre de Test 10 Nombre d it rations 1000 y Param tres Sx Param tres Sy a Amplitude Amplitude El gt GER 35 E Offset Offset J s ER Phase Phase GE GEI Noise amplitude Noise amplitude Z nn dam 5 5 hau 1 Lambda nm 3 632 8 Sein AT 7 Vitesse mm s 0 18309 Figure 66 Capture d cran de l interface virtuelle Labview permettant de simuler les effets de non lin arit s dans les signaux en quadrature et d ajuster le signal une ellipse Ici Ax 3 5 Ay 5 Xo 1 5 Yo 0 et po 20 Tableau 21 Caract ristiques techniques des deux d tecteurs en quadrature de phase Photodiodes de d tection de quadrature de phase Mod le 818 SL Diam tre actif 1 13 cm NEP 0 20 pw Hz Temps de mont e 2 us Lin arit 1 15 2 o S a x 10 3 o z z z 5 Es 5 e u S 9 g E DI u a 5 S y im 3 E le zZ gt gt o x E Bs yl 2 gt Vase P kAd H amp lt T E 10 j S 3 5 i 1012 15 i A 9 Ei 10 10 104 10 300 700 900 s 08 10 12 14 16 18 10725 10 5 20 35 50 65 80 500 1100 OPTICAL POWER W WAVELENGTH nm WAVELENGTH um TEMPERATURE C Linearity of photodiode response Temperatu
343. te de r ponse maximale avant la mise en orbite le choix des composants propres optimis s pour le plan de contamination afin d viter tout effet de d gazage et finalement l limination dans la mesure du possible de toute contamination lors des tests et de l int gration au sol purge a l azote sec L entr e du t lescope devra tre prot g e par une porte mobile Une conception propre de l instrument et du satellite permet de r duire consid rablement la contamination et tout effort dans cette direction n est pas excessif L exp rience acquise lors de la r alisation du spectrometre SUMER sur SOHO sera utilis e U Schuehle 1994 A Pauluhn et al 2002 116 0 a 9 20 0 400 40 30 640 CALENDAR Dar Figure 49 Exemple de la d gradation de la sensibilit de l instrument LPSP OSO 8 L axe des ordonn es repr sente les variations de sensibilit relatives l abscisse repr sente le temps en jours depuis le lancement 9 3 6 Dur e de vie Aucune estimation pr cise sur la dur e de vie de l instrument ne peut tre r alis e La dur e de vie de la mission pourrait tre envisag e couvrir un demi cycle de mont e ou descente d activit solaire soit environ 5 ans voir Figure 50 117 2004 2002 Figure 50 Repr sentation du cycle d activit solaire n 23 tel que observ par la mission SoHo image source NASA la p riode moyenne de l activit solaire est de 11 2 ans L activit solair
344. tendue Pour valuer la r ponse instrumentale face une source tendue pour un pixel sur laxe optique on a Hearn 1999 I 6 m So sinc cos 2m0x 1 _ gt do 18 Observer une source tendue a donc deux effets e Le d placement de la phase d un facteur 1 2 o Q est langle solide Q nHFOV avec HFOV 5 FOV d o l intervalle recal sera observ a 2 Oops O cm 19 e La modulation de l amplitude par une fonction sine I qui s accentue en fonction de OPD et de la largeur spatiale de la source 102 Dans le cas d un pixel de champ hors axe la diff rence de marche optique est diminu e d un facteur cos o est langle de rayon de l axe optique par rapport la pupille Dans une premi re approximation on peut d crire cette d viation comme Oops 0 cos B cm 20 Finalement on peut exprimer l ensemble des deux effets comme Hearn 1999 2 2 Tops 0 E To cm 21 Une simulation via ZEMAX permet d observer ces effets de d placement de phase qui se traduisent par des d calages de 0 05 nm sur les bords du champ voir Figure 42 La Figure 43 repr sente les pertes de modulation de chaque pixel dans le champ pour que ces effets soient observables le diam tre de la pupille d entr e a d tre augment a 640 mm Spectre sur les bords du champ Spectre au centre du champ e Spectre 125 Amplitude U A 121 5
345. tes Une limite fondamentale a t d montr e exp rimentalement lors de l utilisation d l ments dispersifs et ou s parateurs d amplitude Le probl me tudi par PImperial College Londres Thorne et al 1996 touche l existence d un seuil observ 140 nm au dessous duquel le taux de transmission de lames s paratrices de faisceaux en Fluorure de Magn sium MgF tr s commun ment utilis comme rev tement VUV devient 64 quasiment nul Concernant ce point m me si l mission Ly a est la plus importante dans le spectre VUV les flux observ s restent faibles Pour augmenter le rendement de l instrument on a minimiser le nombre de surfaces optiques car les gains d efficacit de r flexion sont bas par rapport a ce qui est commun aux longueurs d onde visibles Cette situation conduit aussi privil gier les syst mes de type catadioptriques ou enti rement en r flexion Une autre consid ration tenir en compte lors de la conception optique d un instrument d di aux observations dans le VUV concerne la qualit de l image Dans cette gamme spectrale les effets de diffraction deviennent moindres En contrepartie les d formations du front d onde d pendent essentiellement du rapport entre la longueur d onde observ e et la taille du d faut En g n ral les effets de lumi re diffus e sont donc d autant plus importants lorsque la longueur d onde devient courte De ce fait les composants optiques UV ont b
346. tes optiques est un d placement maximum quadratique de 8 nm toutes perturbations cumul es thermique et vibrationnelle Cette stabilit doit tre assur e pour les positions relatives entre les trois miroirs fixes et les deux r seaux pendant la dur e t 10 s d acquisition de l interf amp rogramme Parmi les c ramiques le Silice SiO est couramment utilis pour ses propri t s m caniques et thermiques comme substrat de miroirs en particulier dans les applications spatiales ou a ronautiques Un calcul rapide bas sur une structure en Carbone type M55J avec un coefficient d expansion thermique de 10 K permet d estimer l inertie thermique admissible Sur une longueur de la structure de 1040 mm Figure 33 des dilatations de l ordre de la dizaine de nanom tre valeur pic pic imposeraient une variation thermique maximum de l ordre de 10 C P V pendant le temps d int gration de 10 s Concernant les perturbations vibrationnelles les sources ventuelles de vibration sont le syst me de d placement du miroir et ventuellement les servitudes du satellite pointage Le balayage continu n cessaire pour l observation de la dynamique solaire att nue les effets des vibrations environnementales et des d rives 112 9 BILAN DE CONCEPTION DE L IFTSUV 9 1 BUDGET D ERREUR L valuation des diff rents postes de bruit tudi s conduit aux valeurs figurant dans le Tableau 14 Les valeurs du SNR total r sulta
347. tion Axial Color Lateral Color Seidel Diagram 02 11 2011 Wavelength 0 1219 pm Maximum aberration scale is 5 00000E 006 Millimeters Grid lines are spaced 5 00000E 007 Millimeters IFTSUV FOV250 D40f20f42 zmx Configuration 1 of 1 Figure 38 Diagramme de Seide des aberrations pr sentes dans le syst me Grid Distortion A 0347 h Degrees Image 3 02 w 12 ES h Millimeters ximum Dr ASE RS 0 0562 poets Knie zultienfig zar Scale 1 000X Wavelength 0 1216 pm tion 1 of 2 Figure 39 Carte de distorsion dans le plan de d tection 100 Field Curvature Distortion Field Curvature Distortion z m e Pr 3 A sf Y Y E x x 3 e ae u sm Millirerers Fercent Mi llirerers Millimeter Field gegen F Tan sa Distortion Field Curvas F Tan va Distorcion 03 11 2011 Maximm Field is 0 035 Degrees id is 0 035 Degrees Wavelengths 0 122 0 121 0 122 0 122 0 12 aa BA ite arc nic Field Curvature Dasteortion Field Curvature Distortion TT s x T x 2 98 CES za 3 zo CE Ls S parr Millimeters Mi llimecers Millimeter Field Curvature Field Curvature F Tan Theta Distortion 03 11 2011 Maxime Field is 0 035 Degrees Wavelengths 0 122 6 222 LASS Figure 40 R sultats sur la courbure de champ et distorsion de l image sur les deux axes d incidence en valeur absolue 8 2 3 Format du d tecteur Le plan focal o se trouve le d tecteur est plac 421 610 mm du miroir de focal
348. tique et donc la quantit de signal dans l instrument cf paragraphe 5 3 et Figure 53 AA Aa ISL Figure 27 Illustration du profil du filtre trap zo dal r sultant du double passage sur r seau le dessin n est pas l chelle 5 1 2 Echantillonnage L chantillonnage de la diff rence de marche optique est d termin par le th or me de Shannon Nyquist qui tablit une relation entre l intervalle spectral libre ISL o o en cm et la taille du pas d chantillonnage 21SL 0 en mm Chaque pas d chantillonnage correspond un pas de d placement m canique du miroir dx de 2dx 6 Resolution 77 spectrale bande passante et nombre de pas d chantillonnage sont reli s par la relation _ ISL o N TA 5 1 3 R solution spectrale et bande passante Un chantillonnage d fini par l intervalle fini contenu dans une fen tre trap zo dale telle que d crite en section 5 1 1 conduit la troncature de l interferogramme Dans une premi re approche on va consid rer que la contribution du signal contenu dans les ailes de la raie Ly a l ext rieur de la base du trap ze d finie par AA est n gligeable L effet de la troncature de l interferogramme par un intervalle de difference de marche maximale 2L fini revient alors un produit par une fonction porte de largeur L 2 L 2 Ce produit se traduit par une convolution dans l espace de Fourier Le spectre obtenu est alors convolu par la tran
349. tive Index of air new equations for the visible and near infrared Appl Opt Vol 35 No 9 pp 7566 7573 1996 Cp O and Petru F A scale linearization method for precise laser interferometry Meas Sci Technol Vol 11 Issue 2 pp 133 141 1999 Curdt W Brekke P Feldman U Wilhelm K Dwivedi B N Sch hle U Lemaire P The SUMER spectral atlas of solar disk features Astronomy and Astrophysics Vol 375 pp 597 673 2001 Curd W Tian H Teriaca L and Sch le U The SUMER Ly a line profile in quiescent prominences Astronomy and Astrophysics 2010 Damiani C Drossart P S mery A R ess J M Maillard J P An Imaging Heterodyne Transform Spectrometer for Planetary Exploration OSA Technical Digest Series CD paper FTuC3 2007 Dawson O R Harris W M Tunable all reflective spatial heterodyne spectrometer for broadband spectral line studies in the visible and near ultraviolet Applied Optics 48 Issue 21 pp 4227 4238 2009 Edl n B The refractivity of air Metrologia Vol 2 No 2 pp 71 80 1966 Eom T B Kim J Y and Jeong K The dynamic compensation of nonlinearity in a homodyne laser interferometer Meas Sci Technol Vol 12 pp 1734 1738 2001 Feautrier P Gach J L Balard P Guillaume C Downing M Stadler E Magnard Y Denney S Suske W Jorden P Wheeler P Skegg M Pool P Belle R Burt D Reyes J Meyer M H
350. tre par l absence d un talon pr cis permettant de d terminer les angles a et 6 Dans le cas d tude qui nous concerne le mauvais r glage de la configuration en multi r flexion a t source d une perte de contraste en fonction de la distance parcourue par le miroir Une structure pr r gl e faite sur mesure aurait permis de s affranchir de ce probl me 20 1 4 12 Les miroirs Les valeurs attendues d efficacit et qualit de surface optique des miroirs sont celles donn es par le fabriquant mais n ont pas pu tre v rifi es La r flectivit des miroirs a emp ch d avoir un nombre de r flexion lev l int rieur de la configuration Bien que la valeur annonc e sur le composant soit de 99 9 cette sp cification ne couvre que le 80 de la surface Or le faisceau n attaque les miroirs que sur des r gions situ es la p riph rie de la surface ce qui s est traduit par des chutes de contraste de plus de 70 avec un facteur de 2N 4 Un r glage au del de cette valeur aurait fait chuter dramatiquement le rapport signal sur bruit dans le syst me La solution de ce probl me passe par le choix de miroirs plus performants avec un rev tement homog ne sur la totalit de leur surface Les irr gularit s de surface sur les miroirs M et M qui constituent la configuration en multi r flexion sont aussi une source d incertitude les distorsions du front d onde chaque 236 r flexion augmentent la diverge
351. tre ph nom nes de diff rente nature e un rayonnement continu issu de la diffusion Thomson de la lumi re photosph rique dans le visible couronne K e une diffusion Fraunhofer couronne F provoqu e par les poussi res interplan taires e une mission EUV Extreme Ultra Violet et XUV mise selon le spectre des raies de d ionisation couronne E e un rayonnement thermique infrarouge couronne 7 issu de la poussi re interplan taire chauff e Le faible rayonnement visible rend la couronne inobservable en dehors des clipses totales de Soleil ou de son observation gr ce aux instruments de type coronographe voir Figure 5 Le disque coronal ne peut tre observ que par l analyse des ondes radio ou du rayonnement EUV XUV A cause de la temp rature environnante les raies d mission pouvant tre observ es dans la couronne correspondent celles des l ments fortement ionis s appartenant au domaine spectral EUV telles que les transitions du Fe X et le Fe XII centr es sur 17 1 nm et 19 5 nm respectivement et observ es dans la basse couronne des temp ratures de formation de T x 1 3x10 K et Trex 1 6x10 K ou celles du Fe XIV centr e sur 21 1 nm observ e dans la haute couronne une temp rature de formation de Trexy 2x10 K d autres d tails sur les processus hautement nerg tiques de la couronne tels que les ruptions peuvent tre aussi observ s dans le domaine des rayons X mous et X durs Ce
352. tude UA w O D E E hs isses his neh esse iss bis su bis ME st o 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 Le 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 Temps s Temps s Figure 112 R ponse th orique de l organe de commande PI partir des mod les identifi s dans le paragraphe 18 2 4 et synth tis avec les param tres empiriques du Tableau 34 une perturbation de type chelon 18 3 CARACTERISATION DE LA COURSE DE LA PLATINE 18 3 1 Caract risation angulaire Un premier test permet d estimer les d viations parasites qui se produisent lors du mouvement de translation du miroir suite des d fauts de r glage et ou dans le m canisme de d placement de la platine de translation La Figure 114 et la Figure 115 repr sentent les valeurs de d viations angulaires qui se produisent pendant une course d aller retour de distance nominale soit 7 830 928 um cf Tableau 15 On observe un double effet sur ces mesures D une part la pr sence d une pente qui indique l existence d un mauvais alignement entre laxe optique et l axe de d placement D autre part une petite modulation p riodique qui semble se produire tous les environ 0 5 mm de course voir Figure 115 et dont l effet comme attendu se voit amplifi de 2N 4 Ceci est visuellement corrobor dans la Figure 116 qui montre le d tail des mesures de l erreur du signal sur le d tecteur de position pendant une co
353. tules de fixation Electronique de contr le FPGA ASIC 25 Z rodur Qualification spatiale A _ SYST ME DE DETECTION ANGULAIRE Diode Lateral Effect Hammamatsu OSI Qualification spatiale Electronique de contr le FPGA ASIC ee BLOC OPTIQUE Adh rence mol culairefcolle NOA 6 Optiques BK7 Qualification spatiale Coll platine en Titane r glable SYST ME DE COMPTAGE DE FRANGES MIROIR FIXE 2x photodiodes Si Hammamatsu OSl Plan it Electronique k Tol rancement KA by Figure 131 Vue d ensemble des diff rents composants du mini banc optique de m trologie FTSUV STRUCTURE MASSE 245g DYNAMIQUE Actionneur Pl de la gamme Nexline INEMATIQUE Structure triple Titane TA6V Dimensions VOLUME DU CYLINDRE d 60 mm h 126 mm SYST ME MULTI GUIDAGE a Parall logramme d formable H 120 degr s k D Lames flexibles dimensionnables l OPD 1 8mm Figure 132 Vue d ensemble de la structure du mini banc de m trologie de l instrument FTSUV La structure en Titane TA6V peut tre r duite un volume cylindrique dont le diam tre est de d 60 mm et la hauteur est de h 126 mm et une masse de 245 g La dynamique est assur e par l actionneur Nexline 111 fabriqu par PI L entrainement du mouvement se fait par une liaison multi guidage triple parall logramme d formable La structur
354. tures de plasma L intervalle spectral d observation sera centr sur la raie d mission Lyman a La conception et r alisation d un tel instrument dans le domaine UV lointain pr sentent des difficult s techniques qui sont aussi abord es Le fil rouge du manuscrit est expos en fin d introduction 1 DESCRIPTION DU BESOIN SCIENTIFIQUE 1 1 DE DEUX CHOSES LUNE L AUTRE LE SOLEIL Notre Soleil est une petite toile naine jaune parmi les 200 milliards qui composent la Voie Lact e Le diam tre du Soleil est de 1 319 000 km Il est en moyenne situ 150x10 km de notre plan te ce qui fait que sa lumi re nous parvienne 8 minutes apr s avoir t mise Le Tableau 1 donne un aper u rapide des principales caract ristiques de notre toile Sa structure est essentiellement constitu e par un noyau d Hydrogene qui s tend du centre jusqu environ 0 25 rayon solaires et une atmosph re qui peut s tendre sous forme de vent solaire jusqu aux confins de notre syst me solaire voir Figure 1 Bien que le Soleil ait une composition gazeuse sa densit et temp rature changent radicalement lorsque l on s loigne de son centre Pour en savoir plus sur les diff rentes r gions de notre toile une description sommaire est d velopp e par la suite Tableau 1 Donn es num riques de r f rence sur le Soleil Caract ristiques du Soleil Rayon 6 9598x10 m Masse 1 989x10 kg Age 4 55x10 ans Volume 1 412x107 m Densi
355. u aux ruptions coronales l imagerie s av re un outil aussi bien indispensable la mise en contexte et caract risation de la morphologie et de la dynamique de ces ph nom nes Millard 2005 50 Figure 9 Les trois premi res figures a gauche repr sentent l ruption d un filament observ e par CDS et montrant l volution dramatique de ce genre d v nements la figure de droite montre la simulation du balayage de cette m me sc ne par un spectrographe fente de type CDS l instrument manque l v nement car il met 10 min construire l image courtoisie de L Harra ISSI workshop on solar activity November 2012 see AEN rate ens annee nee 50 Figure 10 Le docteur Nancy Roman l une des scientifiques responsable du programme spatial OSO de la NASA montre un mod le du satellite OSO 1 en 1960 source NASA 51 Figure 11 Diagramme des niveaux d nergie des diff rentes s ries d ionisation Lyman dans UV et Balmer dans le visible de l atome d Hydrog ne nen 55 Figure 12 Mod le canonique de l atmosph re hydrostatique du Soleil variation de la temp rature trait plein et de la densit lectronique trait pointill en fonction de l altitude dans l atmosph re solaire d apr s des mod le de transfert radiatif VAL Vernazza et al 1981 La temp rature et la hauteur de formation des diff rentes raies chromosph riques
356. u cube de donn es de fa on instantan e Cependant la spectroscopie multi objet n est pas adapt e r soudre spatialement des objets complexes tels que le Soleil Bien qu il soit possible de coupler ce genre de syst mes des dispositifs IFU pour r chantillonner le champ au niveau de la fente d entr e cette technique se heurte aussi notre contexte observationnel Les FU de type matrice de fibres et ou micro lentilles ne conviennent pas aux observations UV lointain et seuls les dispositifs d coupage du champ seraient compatibles Or la taille et le nombre de petits miroirs d pendent de la r solution spectrale et spatiale du champ de vue et de la bande passante observer et deviendraient dans notre cas difficilement r alisables du point de vue technique Maillard et al 2012 Ainsi pour obtenir une cartographie spectrale de la sc ne il sera n cessaire de balayer une des dimensions du champ de vue Un m canisme de pointage fin au niveau de lun des miroirs du syst me d imagerie s av re donc indispensable pour l chantillonnage spatial le long de la direction perpendiculaire la fente d entr e Les sp cifications de la stabilit et la pr cision de pointage deviennent s v res de l ordre de la r solution spatiale demand e lors de la poursuite d un v nement solaire rapide Pour citer un exemple R Tousey 1963 crit On account of the considerable activity of the sun it was impossible to derive co
357. u syst me de pointage de LyOT SMESE fut calibr par B Lustrement en utilisant comme talon un interf rom tre SIOS200 Il retrouva les valeurs caract ristiques suivantes mesur es sur une plage de 400 um sur la surface XY de d tection Non lin arit 0 1 Facteur de conversion 0 99 mV um Le facteur de conversion a t retenu et impl ment pendant le processus d acquisition et de traitement des donn es Les mesures de bruit sur le d tecteur restent inf rieures 2 um P V pour les mesures de courte dur e statiques sur le d tecteur Lorsque la course du miroir est d clench e le signal dynamique acquis pr sente des battements haute fr quence La vitesse de cette modulation est plus importante dans le cas du syst me en multi r flexion que pour le Michelson classique Cela fait penser la pr sence d interf rences parasites dues des composants de polarisation venant contaminer le faisceau de retour au niveau du cube PBS L erreur sur la position devient alors de l ordre de 4 um P V D apr s le rapport de distances cf paragraphe 17 3 et les r sultats ZEMAX calcul s partir d une mod lisation simple du syst me la r solution angulaire th orique pouvant tre obtenue par le syst me est alors d environ 3 5 urad en configuration classique et d environ 0 9 urad en multi r flexion L angle maximum calibr pouvant tre mesur en th orie est de 350 urad en mono r flexion soit 87 urad en multi
358. ubin N Baade D Kasper M Arsenault R Fusco T and Diaz Garcia J J The L3Vision CCD220 with its OCam test camera for AO applications in Europe Vol 7021 2008 Fitzgibbon A W Pilu M and Fischer R B Direct least squares fitting of ellipses in Proc of the 13 International Conference on Pattern recognition pp 253 257 1996 Graham J R Abrams M Bennet C Carr J Cook K Dey A Najita J and Wishnow E The performance and scientific rationale for an infrared imaging fourier transform spectrograph on a large space telescope Publications of the Astronomical Society of the Pacific Vol 110 No 752 pp 1205 1215 1998 Gayley K G Analytic Lyman alpha wing diacnostics and the chromospheric excitation balance in cool dwarfs The Astrophysical Journal Vol 431 pp 806 878 1992 263 Gontikakis C Vial J C and Gouttebroze P Emission of hydrogen lines by moving solar prominences Astronomy and Astrophysics Vol 325 pp 803 872 1997 Grandmont F D v loppement d un spectrom tre imageur a transform e de Fourier pour l Astronomie Th se 2007 Gregorcic P Pozar T and Mozina J Quadrature phase shift error analysis using a homodyne laser interferometer Optics Express Vol 17 No 18 pp 16322 16331 2009 Gunar S Heinzel P and Anzer U Properties of prominence fine structure threads derived from SOHO SUMER hydrogen Lyman lines Astronomy and Astr
359. ucturelle moyennant un syst me de bafflage sur la pupille d entr e afin de supprimer toute lumi re provenant des sources ext rieures au champ de vue et une rejection spectrale moyennant des filtres En absence ou pas de tout syst me de filtrage l entr e de l instrument les imperfections des surfaces optiques la contamination particulaire ainsi que les effets de diffractions et de r flexions non d sir es sur les surfaces de la structure m canique l int rieur de l architecture du satellite peuvent aussi tre l origine de l apparition de la lumi re parasite Le maintien de la propret l utilisation dans la mesure du possible de mat riaux absorbants ou soumis des traitements de noircissement peintures optiques noires non diffusantes et le bafflage strat gique des composants critiques l int rieur de l instrument sont des d marches qui minimisent cet effet Un bafflage interne pourrait tre assur au niveau du syst me d imagerie Le t lescope afocal est constitu par deux miroirs confocaux paraboliques travaillant hors axe voir Figure 28 Cette solution hors axe est bien adapt e pour l limination de la lumi re parasite en entr e du bloc interf rom trique Un diaphragme situ au niveau de l image interm diaire form e au plan focal du miroir collecteur OAP 1 permet de rejeter le maximum de rayons parasites et de dimensionner le champ optique utile conjugu sur OAP 2 Une grande partie 87
360. udes impressionnantes allant de 707 10 km s l ve jusqu la couronne Comme ils sont plus froids ils sont vus comme des structures sombres dans le disque en Ha en particulier alors qu on peut les observer comme des structures brillantes appel es protub rances lorsqu on les observe au limbe voir Figure 3 La morphologie des protub rances est tr s vari e arches points draperie flamme pilier l tude de la structure fine des protub rances 10 10 km d paisseur permet notamment de dessiner la g om trie des lignes de champ magn tique auxquelles elles sont soumises Elles peuvent tre accompagn es d une phase ruptive ou aussi se d tacher du limbe sous forme d jection de mati re coronale Dans ce cas elles sont souvent observ es dans les r gions actives mais elles peuvent aussi peupler les r gions calmes sous forme de protub rances quiescentes dont la dur e de vie peut tre de plusieurs mois Environ 20 des ruptions solaires est associ la pr sence de filaments quiescents La d stabilisation et cons quente ruption de ces structures est th oriquement li e des ph nom nes de reconnexion des lignes de champ magn tique voir Figure 4 On pourrait dire que le degr de complexit des lignes de champ magn tique conduisant des processus de reconnexion magn tique constitue un des facteurs de risque pour le d clenchement de ce ph nom ne cependant cette th orie n a pu tre confirm
361. ue donc le deuxi me objectif de ce travail L architecture optique mise en place a t choisie afin de satisfaire les besoins de stabilit angulaire lt 2 5 urad et de pr cision lin aire lt 8 nm discern s et test e en laboratoire Les r sultats sur la maquette valident le concept m me si ses performances s loignent des pr dictions th oriques L valuation exp rimentale des performances permet d tablir des solutions aux probl mes rencontr s qui convergent vers l optimisation et le prototypage d un syst me pouvant tre int gr dans une application spatiale Mots cl s Physique solaire UV lointain Spectro imagerie transform e de Fourier M trologie 29 ABSTRACT The origin and evolution of the different structures that inhabit beyond the Sun s photosphere as well as the processes involved in the dynamics and the heating of the corona remain quite unknown The inextricable complexity of the physical phenomena that govern the solar outer atmosphere is accompanied by the lack of suitable data adapted to the scientific need Indeed the interpretation and the models of the mechanisms that connect the exchanges between the chromosphere and the corona depend on critical observational parameters It is for example essential to measure broad bands of vertical temperature and density ranges that fit the multiple spatial and temporal scales that are characteristic of the different events that take place in the Sun T
362. ues l utilisation d une fente l entr e se traduisent par un temps d exposition plus long et certains v nements seront d lib r ment manqu s voir Figure 9 FTSUV est un instrument plus lumineux couverture de champ instantan e et donc beaucoup plus rapide que le reste ce qui constitue un avantage essentiel pour l tude de la dynamique solaire Finalement la mise en place de diff rentes strat gies d acquisition afin d optimiser le mode d observation r solution spatiale spectrale variables plage spectrale spatiale de mesure cadence de mesure t l mesure est assujettie l impl mentation de nombreux m canismes d ajustement lors de la conception d un spectrom tre r seau ou h t rodynage spatial L instrument FTSUV est naturellement flexible et diff rents modes d acquisition sont accessibles rien qu en s lectionnant les caract ristiques de l echantillonnage de la diff rence de marche optique 121 Entrance aperture PL LT KT Fearne 2 32 arc min Figure 51 Sch ma optique du spectrom tre SUMER SoHO source Le syst me d imagerie est bas sur un t lescope dont l ouverture est de 90x130 mm form par deux paraboles hors axe Le miroir primaire collecteur permet de faire le balayage spatial de la sc ne Quatre fentes diff rentes 1 x300 1 x120 0 3 x120 et 4 x300 sont interchangeables m caniquement afin de faire varier la r solution spatiale ma
363. ues des deux bras sont calcul s pour un rayon donn d fini par le champ et les coordonn es pupillaires Le logiciel effectue un trac de rayons et calcule le chemin optique parcouru par la lumi re dans les deux voies de l interf rom tre ce qui permet d obtenir la diff rence de chemin optique Les valeurs de l intensit en sortie du syst me pour chaque diff rence de chemin optique sont stock es dans deux vecteurs qui seront crits dans un fichier de texte qui contient toute l information pour tracer l interferogramme La transform e de Fourier de l interf rogramme est obtenue avec IDL Ce spectre synth tique sans erreur est utilis comme r f rence voir Figure 47 Cette op ration peut tre r alis e pour le nombre de rayons souhait dans la pupille et dans le champ L erreur sur la difference de marche optique est simul e en ajoutant une valeur al atoire de fraction du pas d chantillonnage ze r chaque incr ment OXerror OX y Ox KS Les r sultats sont repr sent s dans la Figure 48 et le Tableau 13 pour des pourcentages ey 8x 1 2 3 4 Ces valeurs ont t normalis es la valeur du spectre de r f rence calcul sans erreur Tableau 13 Taux de modulation en fonction de l erreur sur le pas d chantillonnage 0x Erreur rms sur 6x Modulation 1 8 98 2 16 89 3 32 73 4 64 57 108 BES 22 22 22 22 2 22 222 ECHANTILLONNAGE 222222 222
364. ui sera viss au support de M La conception de ce syst me passera par une tude m canique par l ments finis des lames flexibles qui permettra de dimensionner la raideur et la course et d optimiser le guidage de la trajectoire L usinage des lames flexibles peut tre accompli par lectro rosion un proc d souple permettant de travailler des g om tries complexes avec une reproductibilit remarquable pr cision 2 um et finitions de lt um Le sous syst me de m trologie peut en premi re approximation tre contenu dans un volume cylindrique de 60 mm de diam tre et 126 mm de hauteur Sa masse sans les bo tiers d lectronique et alimentation est estim e 245 g Ces dimensions r duites facilitent son int gration et r glage et tout en minimisant une bonne partie des erreurs de 240 m trologie rencontr s lors de la r alisation du d monstrateur pr cision des r glages environnement stable structure m canique robuste Figure 130 Sch ma optique du syst me de m trologie trac sous ZEMAX L ensemble des optiques passives cubes s parateurs polariseurs lames de retard la lentille et le miroir fixe sont tenues dans un bloc compact sans avoir besoin d l ments de support m canique 241 MIROIR D ECHANTILLONNAGE ebe CORRECTION ANGULAIRE Double face tol rancement du parall lisme 3x pi zo actuateurs Titane APASOXS 3x rotules de fixation la monture Qualification spatiale 3x ro
365. uisent long terme par rapport notre temps de mesure t 10 s La longueur de coh rence est la distance sur laquelle deux trains 156 d onde diff rents provenant de la m me source pourront interf rer Cette notion est tr s importante car elle d termine la diff rence de marche maximale que l on pourra avoir entre les deux bras de l interf rom tre Le contraste des franges devient tr s faible lorsque la diff rence de marche est sup rieure la longueur d onde de coh rence Lode la source lumineuse c ddm Lc avec L E 82 c 300 000 000 m s tant la vitesse de la lumi re dans le vide et Av la largeur spectrale de la source en Hertz Plus la source est coh rente ou aussi strictement monochromatique plus les trains d onde seront longs et c est pour cette raison que les lasers sont des sources privil gi es en interf rom trie La largeur spectrale d une source laser d pend de la structure de ses modes d oscillation mais galement de l chelle de temps caract ristique d analyse du ph nom ne Pour l tude qui nous concerne l expression 57 doit tre reformul e en fonction du nombre 2N de la configuration multi r flexion a 83 2NAv Lc Dans le cas de lasers He Ne la longueur d onde de coh rence est de l ordre du m tre Av 1MHz La pr cision des r sultats sera aussi sensible au contraste du signal qui mis part les probl mes de d salignement voqu s p
366. uist limit ISL ce qui permet de r duire significativement le nombre de points d chantillonnage Partant d une position centrale l interf rogramme sera sym triquement chantillonn d un c t et d autre de OPD de fa on v rifier les relations pr sent es dans les sections 5 1 2 et 5 1 3 et de s affranchir des probl mes de mauvaise estimation de la diff rence de marche z ro La dynamique des v nements solaires impose une cadence de mesure qui peut tre uniquement accomplie par une acquisition de l interf rogramme en mode continu Ce mode d acquisition au vol pr sente cependant de l avantage de filtrer les basses fr quences de bruit et de faire donc face aux d rives environnementales pendant la mesure Afin d optimiser le temps de fonctionnement utile de l instrument les interf rogrammes sont acquis dans les deux sens de d placement du miroir mobile Le nombre de pas d chantillonnage doit demeurer raisonnable de fa on correspondre avec l tat de l art de la technologie de d tecteurs disponibles et plus concr tement ses capacit s en termes de taux et d lectronique d acquisition 7 2 QUALITE DE L IMAGE L valuation des crit res d crits en section 5 2 2 sur le syst me d imagerie permettra de valider les performances de l IFTSUV en termes de qualit d image Quelques consid rations sont prises en compte pour accomplir les besoins d crits dans le Tableau 2 en section 1 3 1 et secti
367. ultats obtenus avec cette technique dans d autres domaines de longueur d onde sont tr s encourageants et engagent poursuivre cette voie pour lultraviolet R ciproquement l originalit d avoir recours a ce type d instrument dans cette gamme spectrale lui conf re un caract re novateur et particuli rement attractif ce qui fait le m rite de son tude 83 7 CONCLUSIONS L ensemble des sp cifications pr sent es pr c demment m ne aux conclusions d crites par la suite qui feront l objet d une analyse plus d taill e dans le deuxi me chapitre de cette th se Les points durs qui resteront hors de port e de l analyse sont aussi r pertori s 7 1 INTERVALLE SPECTRAL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION SPECTRALE L expression 3 section 5 1 1 et ANNEXE B souligne une qualit intrins que du sch ma optique de l FTSUV qui est capable par lui m me de s lectionner la bande passante accept e sans avoir th oriquement besoin d un autre syst me de filtrage du signal On doit chercher la g om trie qui sans introduire de vignettage dans l intervalle spectral choisi minimise la taille des optiques et qui impose d apr s les relations 3 et 4 le volume de IFTSUV Le domaine spectral couvert est donc uniquement limit par la bande passante s lectionn e et par la diff rence de chemin optique maximale La validit de la relation 3 repr sente un autre atout du fait de pouvoir utiliser le th or me de Shannon Nyq
368. une altitude de 50000 km Heinzel et Rompolt 1987 Chaque courbe repr sente l intensit relative en d un demi profil trac en fonction de la vitesse de la structure de 0 280 KM S cocoa nn rca 60 Figure 18 Profils d mission au voisinage de la raie Ly a en chelle logarithmique pour un trou coronal le Soleil calme et une tache solaire qui est repr sentative d une r gion active dans un intervalle spectral qui va de 67 nm 150 nm 62 Figure 19 Profils Ly a observ s des positions cons cutives de 1 l int rieur d une protub rance SUMER SOHO Jo iraran amine A Masse M den eege ENEE 63 Figure 20 Filament Ly a observ par le vol de fus e VAULT Le filament est inscrit dans un carr de surface 250 x250 la r solution angulaire est de l ordre de 0 38 arcsec 63 Figure 21 De gauche droite 1 Photo du premier vol de fus e type V 2 en 1942 r quisitionn es plus tard aux allemands apr s la Seconde Guerre Mondiale et utilis es pour r aliser les premiers vols de haute altitude gt 80 km pour des buts militaires et scientifiques Les premiers spectres basse r solution dans l UV furent captur s vers l ann e 1948 2 Photographie d une fus e type Aerobee apog e de 230 kms permettant d obtenir les premi res images Ly a du Soleil 1959 gr ce l h liographe embarqu Tousey et al 1963 3 Int gration du satellite OSO 8 lanc le 21 Jui
369. une r flexion l int rieur du syst me 135 13 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE 13 1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 13 1 1 LINTERFEROMETRE DE MICHELSON HOMODYNE L interf rom trie par division d amplitude et plus concr tement l interf rom tre de Michelson conduit a de nombreuses applications dans le domaine de la physique et constitue pour le probleme qui nous concerne un outil tres puissant de mesure de d placement ou m trologie dimensionnelle La longueur d onde associ e une source monochromatique connue telle qu un laser peut se traduire en une distance optiquement mesurable voir quation 38 et quation 39 Il existe deux grandes variantes de mesure dimensionnelle par interf rom trie Michelson laser l interf rom trie h t rodyne deux fr quences et l interf amp rometrie homodyne une seule fr quence La complexit de la mise en place d une configuration h t rodyne notamment lors d une possible spatialisation nous a impos le choix d une solution sous forme d interf rom tre homodyne Ce type de syst me permet de nos jours d obtenir des r sultats pr cis stables et tr s performants 13 1 2 LE SYSTEME DE DETECTION DE QUADRATURE DE PHASE Les deux courants r cup r s sur les photodiodes PD et PD sont convertis en deux tensions en quadrature et en Volt dont la phase est d cal e de 7 2 en sortie du Michelson homodyne Les battements dont la fr quence est d a
370. upport de pi zo actuateurs PI S 330 2SL deux axes du miroir M Platine de pi zo actuateurs deux axes Mod le PI S 330 2SL Course boucle ouverte 8 5 mrad R solution boucle ouverte 20 nrad Fr quence de r sonance vide fo 3 7 kHz R p tabilit 0 15 urad Lin arit 0 1 Distance au point de pivot 7 6mm Moment d inertie lo 1530 g mm Modules d amplification 2x mod le E 505 00 1x mod le E 505 00S Puissance max sortie 200 W Puissance moy sortie 30 W Ch ssis d accueil E 500 00 14 1 2 Syst me de pointage le d tecteur de position Il existe de nombreux types de capteurs servant comme d tecteurs de position d un faisceau lumineux Parmi les plus populaires on peut retrouver les cam ras multi pixel de type CCD les photodiodes quatre quadrants et les photodiodes effet lat ral ateral effect en anglais La structure la plus commune de ces photo d tecteurs est le semi conducteur jonction PIN pour Positive Instrinsic Negative en anglais constitu e d une zone non dop e dite intrins que en Si intercal e entre deux zones dop es P et N dont le principe de 141 d tection est bas sur l effet photo lectrique Les photons avec une nergie sup rieure ou gale la bande interdite d un mat riau de type semi conducteur sont absorb s ce qui arrache les lectrons de la bande de valence vers la bande de conduction
371. ur le Soleil pendant l exposition Ceci rend possible de corr ler les profils avec les diff rentes r gions d activit du Soleil Les valeurs de la temp rature lectronique ont t obtenues en utilisant la th orie de Jefferies et Thomas 1 1 L 1 1 fi A 747 10 3 a e P 40 a6 E D E f i 10 gt Ka 2 Me Es 2 1127 EEE i rer Le E My i yry UARS on 28 February 1992 344 we Jl gt 10 3 4 E J sl 3 Pas T i Y x 01 1980 0 EG 01 01 2000 vie a Ae n A 01 01 1950 01 01 1960 01 01 1970 01 01 1 1 01 1990 1 01 20 Wavelength nm Date Figure 14 A gauche mesure de l irradiance solaire VUV en fonction de la longueur d onde l mission Lyman alpha est la plus intense du spectre et contribue fortement aux pertes radiatives du Soleil A droite mesure des variations d irradiance de l mission Lyman alpha du Soleil entre l ann e 1947 et jusqu l ann e 2000 source G Kockarts 2002 le cycle d activit solaire est clairement mis en vidence a travers ces mesures 58 A Ly a radiance erg Semer C Bz Gauss site 60 40 20 0 20 40 60 chu Bz Gouss E second of arc 40 20 0 20 40 60 60 40 20 0 20 40 60 Figure 15 A cartographie de la radiance spectrale Lyman alpha mesur e par SUMMER SoHO sur une r gion de Soleil calme de 150 x120 B cartographie de la profondeur des profils Lyman alpha tudi e sur les zones d embrillancement maxi
372. urce de la sc ne Le flux doit donc demeurer constant pendant l acquisition du cube si on ne veut pas se m prendre sur l origine des variations observ es La variabilit du signal d entr e est commun ment compens e dans une configuration de spectrom tre classique par caract risation et soustraction du port non balanc DC permettant de normaliser le signal mesur Mertz 1965 Dans l instrument FTSUV l absence du port de sortie non modul e ne permet pas de corriger cet effet Son influence demeure difficilement mod lisable moins d avoir un systeme de d tection externe l instrument cam ra CCD ou photo d tecteur capable de mesurer ces variations et de faire une calibration en vol De m me l utilisation de l ordre z ro du premier r seau RT attaqu par le faisceau pourrait aussi constituer une solution Y Ferrec mais impliquerait une notable augmentation de la complexit du syst me On supposera alors que les ph nom nes observ es sont invariants sur l chelle des temps d int gration sp cifi e T 10s Ceci permet de figer radiom triquement une image de la sc ne Une autre solution compl mentaire pouvant tre envisag e consisterait faire une interpolation entre deux mesures diff rence de marche z ro ZPD de fa on estimer les variations de flux Ainsi les effets de la propagation entre la source et le point d observation ne seront pas pris en compte 88 CAHIER DES CHARGES TECHNIQUE E
373. urse nominale sans asservissement Le premier effet est d une erreur en cosinus suite un d faut de l alignement en auto collimation la direction de translation du miroir ne se fait pas de fa on colin aire au faisceau incident ce qui se traduit par un d placement du spot sur la surface du d tecteur lors du mouvement Ce d faut peut se voir amplifi par des mauvais alignements au niveau du cube s parateur BS7 cf paragraphe 14 2 1 et dans le cas de la configuration en multi r flexion a cause d un mauvais r glage entre les deux miroirs L amplitude de cette erreur toute 212 causes cumul es est de 6 urad dans l axe X et de 77 urad dans l axe Y pour le systeme en configuration classique voir Figure 114 Le temps n a pas permis de refaire des mesures de correction de cette erreur syst matique qui aura un impact cf paragraphe 14 1 3 sur la diff rence de marche calcul e La Figure 115 montre les mesures sur le syst me en multi r flexion Les erreurs d amplitude lorsque les mesures sont recal es au facteur 2N 4 r gl se superposent parfaitement au cas pr c dent l amplitude de d viation retrouv e est donc aussi de 6 urad dans l axe X et de 11 urad dans l axe Y Cet effet est donc d un d faut de parall lisme du syst me de guidage de la platine L incertitude th orique sur la totalit de la course nominale due ce mauvais r glage sera d apr s la relation 80 inf rieure au nanom t
374. usement t soumis aux d lais et aux offres des march s ainsi qu au calendrier d ex cution du projet Malgr tout certains de ces probl mes ont pu tre en partie compens s ou att nu s 1 2 Le banc optique a t capot pour diminuer les effets environnementaux Le nombre de multi r flexion obtenue a t de 4 ce qui correspond a une pr cision optique th orique de 758 nm sur la ddm La stabilit angulaire a atteint une pr cision de mesure d angle de 0 9 urad Les erreurs d angle ont pu en partie tre compens es par la boucle d asservissement avec une pr cision sup rieur la pr cision sp cifi e Les effets du m canisme de translation ont t observ s dans les deux sens de la course avec une bonne reproductibilit Un syst me adapt issu des mesures en boucle ouverte pourrait tre utilis dans une boucle de r gulation faite sur mesure 246 Les r sultats sur la maquette ont permis de valider le concept un syst me en multi r flexion r gul a permis d atteindre une r p tabilit de 700 nm P V a une pr cision de 8 nm rms le bruit mesur tant lt 0 3 nm Les probl mes rencontr s lors de l exp rience ont servi de guide pour le d veloppement d un travail de r flexion en amont concernant la poursuite de la r alisation d une maquette de m trologie miniaturis e et spatialisable pouvant tre int gr e dans architecture g n rale de l FTSUV Le projet de r alisati
375. ussi de paires de polarit magn tique oppos e Des arches de champ magn tique confinent le plasma en reliant les r gions de polarit Nord Sud Lorsque la pression magn tique sous la zone de convection est tr s forte des boucles de champ ancr es aux deux extr mit s des taches s l vent travers l atmosph re solaire jusqu la couronne De m me les r gions actives se d veloppent de la photosph re la couronne au dessus et autour des taches lorsque les forts champs magn tiques mergent de l int rieur du Soleil Les filaments se retrouvent souvent emm l s entre ces lignes de champ Les ruptions solaires se voient ainsi fr quemment d clench es l issue de brisures violentes du champ magn tique en surface Bien que la naissance de l ensemble de ces ph nom nes puisse tre ind pendante de l mergence de taches dans la photosph re leur existence est g n ralement corr l e aux p riodes et aux r gions caract ris es par une forte activit magn tique DAILY SUNSPOT AREA AVERAGED OVER INDIVIDUAL SOLAR ROTATIONS von SUNSPOT AREA IN EQUAL AREA LATITUDE STRIPS OF STRIP AREA B gt 0 0 M gt 0 1 D gt 1 0 30N 1870 1960 1970 1980 DATE as EMISPHERE 02 01 a N 2 13 1 e 17 s 19 D 2 2 23 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 http scienee Sech mane zer sad solar aers bh H NASANSSTCHATHAWAY 2008 01 Figu
376. utant plus lev e que la vitesse de d placement du miroir augmente observ s par chacun de ces d tecteurs sont id alement de la forme Iy cos Ag 40 TT I cos Ay 5 ou A est l amplitude AC du signal sur les photodiodes et Ag la phase du signal Si on repr sente l volution des deux signaux en quadrature on obtient une courbe de Lissajous en forme de cercle voir Figure 59 On peut alors exprimer la phase par la relation I 41 Ag tan vf mn x Le terme mz m Z est important car il permet de d rouler la phase sans avoir les sauts qui se produisent a cause des discontinuit s dans la fonction arctangente en dehors des intervalles 71 2 77 2 voir Figure 59 La diff rence de phase entre les deux signaux permet ainsi selon la relation 38 de connaitre le d placement du miroir cible laser 49 Ax I tan 1 vf mr AT x 136 Celle ci pouvant aussi tre exprim e en fonction du facteur de d multiplication N induit par le syst me de multi r flexion 43 La position relative peut donc tre calcul e par un compteur incr mental d terminant le nombre de tours m de trajectoire de cercle D autre part le sens de rotation du spot d termine si le miroir cible est en train de s loigner ou de se rapprocher voir Figure 60 nen i Le scoed phase e ue un Figure 59 Capture d cran d une interface virtuelle Labview simulant l acquisition de deux s
377. ux processus En premi re approximation la variation d intensit int gr e relative par rapport au cas statique informe sur les vitesses radiales de la r gion observ e i e en mesurant l assombrissement Doppler des raies voir Figure 17 Le d calage des pics pourrait tre associ aux mouvements verticaux de mati re grande chelle des structures mettrices Goutterbroze et al 1978 Gontikakis et al 1997 Heinzel and Rompolt 1987 R cemment il a t sugg r qu il pourrait aussi s agir d un effet combin du d calage Doppler et des opacit s dans les diff rentes structures G nar et al 2008 Cependant le probl me poss de en r alit de nombreux degr s de libert s pression temp rature g om trie microturbulence pr sents l chelle locale et il n est pas facile de trouver le jeu de param tres permettant de pr dire les variations de vitesses dans les profils Lyman alpha La profondeur du renversement peut tre interpr t e comme une mesure du degr d absorption de photons Lyman alpha par des atomes d Hydrog ne situ s dans les couches sup rieures L ampleur du renversement est donc un indicateur de opacit du milieu et peut tre quantifi e par le rapport d intensit s entre les pics et la valeur centrale du profil voir Figure 15 Tian et al 2009 Le plasma dans la chromosph re profonde o se forment les ailes du profil T lt 7 000 K peut tre tudi en regardant trave
378. variable 88 8 CAHIER DES CHARGES TECHNIQUES de PIFTSUV nn 91 8 1 INTERVALLE SPECTRAL LIBRE ECHANTILLONNAGE ET RESOLUTION SPECTRALE ernennen 91 8 1 1 Intervalle spectral libre 91 81 2 EcheamtlOnNage rn ee ee 95 8 1 3 R solution Spectral ne nee 96 8 2 CHAMP DE VUE ET RESOLUTION ANGULAIRE nen 96 8 2 1 Syst me d imagerie eisen 96 8 2 2 Qualit de IMAGE a a heure a a lens 98 8 2 3 Format du d tecteur een mehr 101 8 3 RAPPORT SIGNAL SUP BRUIT 22222 102 8 3 1 Modulation du Signal een a eae 102 PP o 106 9 BILAN DE CONCEPTION DELTETSUN count tra 113 9 1 BUDGET D ERREUR en een ee 113 9 2 CAHIER DES CHARGES INSTRUMENTAL 113 9 3 CAHIER DES CHARGES DE LA MISSION eee eee eeeeeeeeeeeeeeeeee teense eeteeeeeeeeeenaeee 115 93 A o Ae 115 EE 115 9 3 3 te nl ee ee ee era 116 9 3 4 Pointage et stabilit u serie 116 Se COIL UAL i s ssn bee 116 9 3 6 Dur e de Vie anne ee een ee ee 117 10 CHOIX INSTRUMENTAL COMPARAISON ENTRE INSTRUMENTS eee 119 11 CONCLUSIONS une sa Meet ee nt entrants aie 124 11 1 QUALIT DE LIMAGE see ee 124 112 RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT u nenne ea 124 11 3 POINTS DOR ee 125 11 3 1 Qualit des surfaces TE 125 11 3 2 Besoin d un syst me de m trologie cooococonncccnnncccnoncccnnonnconancconanccoranenonancnonns 125 DEUXIEME PARTIE E 126 12 DESCRIPTION DU SYSTEME DE METROLOGIE unissent 129 124 SCHEMA OPTIQUE ee ee ne DE 129 12 2 SOUS SYSTEME D ECHANTILLONNAGE issu
379. vec la fixation la surface du marbre On parle de r glage xy pour des r glages dans les directions orthogonales l axe optique Le r glage en z correspond la direction de l axe optique Le laser poss de des r glages dans les trois axes de rotation un axial et deux tilts ainsi que deux translations dans les directions x et y Chacun des polariseurs et lames de retard est ins r dans une monture permettant de r gler l axe de polarisation par une rotation axiale de 360 avec une sensibilit de 7 Tous les cubes s parateurs BS7 PBS et BS2 reposent sur des supports orientables dans les trois rotations une rotation axiale et deux r glages tip tilt avec une course de 2 5 et une sensibilit de 3 et sont aussi r glables en translation par des platines microm triques sensibilit 5 um Le miroir d chantillonnage M poss de deux r glages pour sa fonction voir Figure 73 e Une platine de translation PI M 405 CG reli e a un moteur DC pour r aliser le balayage de la diff rence de marche du miroir voir Tableau 24 e Une platine d actionneurs pi zo lectriques P S330 L Tableau 17 r glable sur les deux axes afin d asservir les d viations tip tilt 172 Ce miroir a t fix la platine de pi zo actuateurs par collage La colle correspondante est de type Stycast2850 avec un catalyseur 24LV Emerson et Cumming L paisseur du joint de colle a t contr l e par insertion de fils de
380. voir ANNEXE A permettent de relier le signal de l interf rogramme au signal moyen du spectre S y 15 10 ee gt S k6a 80N3 k 0 On peut aussi d apr s le th or me de Parseval crire l quivalence de bruits dans les deux espaces interf rogramme oy et spectre o comme Graham J R et al 1998 16 Oolr et L No Ceci nous permet de r crire le rapport signal bruit dans le spectre en fonction du bruit dans l interf rogramme comme So 27 So 17 Me P N ENR 82 6 CHOIX INSTRUMENTAL LES AVANTAGES POTENTIELS D UN FTSUV Le choix d un FTSUV repose sur des crit res bien d finis L ensemble des avantages que pr sente un FTS peut tre r sum avec les points suivants Sch ma optique On peut adapter une solution enti rement en r flexion pour rendre le syst me compatible avec les observations VUV Le nombre de surfaces a t r duit au maximum et l encombrement r sultant est relativement r duit L avantage de Jacquinot Aussi connue comme l avantage de l tendue qui traduit le fait que l tendue g om trique de la source peut tre augment e sans brouiller les franges d interf rence Ceci permet i d avoir plus de flux l entr e et donc d atteindre des signaux et des cadences plus lev es ii d avoir acc s un champ de vue instantan R solution et flexibilit Les spectrom tres TF permettent d atteindre une r solution spectrale lev
381. voir tous rencontr J ai beaucoup pens aussi mes filles Leti et Esther vous tes les meilleures Mais aussi mes tr s chers et aim s Alba et Anton Un remerciement sp cial est aussi destin la petite quipe de g nies qui constituent le laboratoire d optronique l INTA Sans cette exp rience que j ai partag avec eux Madrid je ne serais jamais parvenue a d couvrir l univers du spatial et je leur souhaite le meilleur dans l avenir Je remercie bien videmment mon p re ma m re ma s ur ainsi que Dani pour leur amour et leur enthousiasme in puisable et contagieux 33 INTRODUCTION 36 Cette introduction se veut didactique afin de donner au lecteur une vue d ensemble des probl matiques abord es par la physique qui s int resse aux tudes de l atmosph re chaude du Soleil Les observations dans l UV permettent le diagnostic des plasmas fortement ionis s caract ristiques de la chromosph re la r gion de transition et la couronne Une revue succincte des diff rentes missions spatiales d di es l observation de l atmosph re solaire est pr sent e Le cahier des charges d un sc nario repr sentatif du besoin scientifique est expos L instrument spectro imageur envisag a pour fonction de r aliser une cartographie spectrale des r gions actives du Soleil et de r soudre dans le temps et dans l espace l volution parfois violente de la densit et la temp rature des diff rentes struc
382. x tudes du Soleil Le seul futur candidat est l instrument LEMUR Large European Module for Solar Ultraviolet Research aussi connu sous le nom EUVST un spectrom tre r seau classique propos pour la mission Solar C Une solution instrumentale alternative et innovante bas e sur un spectro imageur transform e de Fourier travaillant dans l UV lointain est propos e dans la premi re partie de ce manuscrit Un tel instrument pourrait r pondre un besoin sp cifique la physique solaire la spectro imagerie rapide des r gions capitales de la haute chromosph re de la couronne et de la r gion de transition situ e entre elles Et cela pour toutes les structures solaires r seau et inter r seau du soleil calme r gions actives avec leurs taches et plages couronne et ses boucles chaudes trous coronaux etc Une grande partie du chauffage coronal commence dans la r gion de transition et la chromosph re raison pour laquelle on visera l tude de l mission Lyman alpha Un cahier des charges regroupant les caract ristiques n cessaires ces crit res d observation sera dress dans les paragraphes qui suivent Les capacit s uniques de ce syst me associ es l tat de l art des nouveaux mod les atmosph riques 3D permettront de combler une importante lacune dans les connaissances de la physique solaire 1 2 1 L mission Ly a La plupart des ph nom nes chromosph riques ont des signatures sp cifiques dans les
383. x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 117 De haut en bas mesure de l cart entre la diff rence de marche mesur e en nm et la droite d ajustement id ale en fonction du d placement du miroir exprim en nm mesure du signal d erreur sur l axe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en mono r flexion et sans boucle de r gulation 219 erreur nm 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX multi r flexion sans asservissement 10 un erreur PSX microradians in o 10 0x 0x 1 5x 5X 0x BO 0 5 0x10 1 0x10 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Signal d erreur sur PSX multi r flexion sans asservissement 10 ur D un erreur PSY microradians o 10 0 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 0 opd nm Figure 118 De haut en bas mesure de l cart entre la diff rence de marche mesur e e nm et la droite d ajustement id ale en fonction du d placement du miroir exprim en nm mesure du signal d erreur sur Taxe X du d tecteur de position mesure du signal d erreur sur l axe Y du d tecteur de position pour la configuration en multi r flexion et sans boucle de r gulation 220 Course mono r flexion sans asservissement on Course multi r flexion sans asservissement 2000 1000 E E
384. y multi reflexion avec asservissement Amplitude Ay multi reflexion avec asservissement 155 155 1 50 1 50 145 Z 145 2 2 z 140 EA 40 135 1 35 1 30 1 30 o 5 0x10 1 0x 10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm ee B 8 6 6 8 4 8 4 2 2 o o 1 35 1 40 145 1 50 135 1 40 1 45 1 50 Ay U A Av U A Figure 128 Evolution des amplitudes Ax Ay mesur es et calcul es pendant une course nominale en multi r flexion et avec asservissement 229 Phase residuelle pO mono reflexion avec asservissement Phase residuelle pO mono reflexion avec asservissement A DEEG T q v m 1 n n o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 OPD nm OPD nm 200 BES e SS gt K Kk 150 2 3 100 8 o 0 022 0 020 0 018 0 016 0 014 0 012 o pO degres pO degres Phase residuelle pO multi reflexion avec asservissement Phase residuelle pO multi reflexion avec asservissement 0 00 0 00 E am 8 001 Ej Am 0 02 2 ga 0 03 0 03 o 5 0x10 1 0x10 1 5x10 1 5x10 1 0x10 5 0x10 o OPD nm OPD nm no 0 010 0 005 pO degres 0 020 0 015 pO degres Figure 129 Evolution de la phase r siduelle po mesur e et calcul e pendant une course nominale avec asservissement En haut mesures de la configuration en mono r flexion En bas mesures de la configuration en multi r flexion 230 19 BILAN DES PERFORMANCES ET BUDGET D ERREUR Le T
385. ye la surface du miroir pendant la course L impact de cet effet est parfaitement compens pour la configuration en mono reflexion lorsqu il n existe pas d erreur d alignements cas asservi mais il devra tre tudi dans le cas multi r flexion Le fait d augmenter la r solution lin aire pr sente une contrepartie n gative lorsque l on travaille sous certaines conditions non id ales variations des param tres environnementaux d fauts d alignement car le syst me devient d autant plus sensible a l ensemble des bruits pr sents dans le syst me qu ils soient syst matiques ou al atoires Inversement le fait d tre plus sensibles se pr sente comme un avantage quand il s agit de mesurer et corriger les d fauts d alignement dynamique En effet la r p tabilit mesur e en mono r flexion est de 200 nm environ 16 nm rms sans r gulation et de 150 nm environ 16 nm rms avec r gulation Dans le cas de la configuration en multi r flexion les carts P V 233 sont de 250 nm environ 16 nm rms pour l exp rience non r gul e et de 700 nm environ 8 nm rms avec le syst me de r gulation cf Figure 121 et Figure 125 Ceci est probablement dd l attenuation des erreurs dynamiques de tangage et lacets L ensemble des facteurs qui ont limit les performances du banc d monstrateur seront discut es dans le paragraphe suivant Tableau 39 R sum des performances atteintes par la configuration en multi r flex
386. yst mes r els plus complexes se heurte frontalement au choix d une structure de commande de type PID car ils ont rarement un mod le qui repr sente parfaitement la totalit de leur comportement dynamique Ce dernier point est notamment caract ristique de syst mes dynamique sup rieure au deuxi me ordre des syst mes contenant un retard important ou bien encore pr sentant des modes oscillants Les incertitudes associ es la mod lisation du syst me rel vent d un probl me d optimisation alambique Les r gulateurs PID ont une structure tr s simple qui rend difficile d appr hender l ensemble des caract ristiques dynamiques lors de la synth se et il faudra g n ralement faire appel une commande d ordre plus lev Finalement les syst mes non lin aires ne peuvent pas tre repr sent s exactement par des mod les lin aires Bien que l approche du probl me de mod lisation soit r alisable par des m thodes de lin arisation autour de un ou de plusieurs points d quilibre du syst me les dynamiques non lin aires et les r gulateurs PID ne font pas non plus bon m nage Pour synth tiser un r gulateur comportement optimis il est n cessaire de reformuler le probleme selon des m thodes d identification et mod lisation exhaustives qui vont malheureusement au del du temps et des moyens de r alisation de cette th se car il s agit d un domaine en soi du g nie m canique 162 r t r f rence

conception et realisation des performances d`un spectro

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