Academic literature on the topic 'Miroir déformable'

Cette thèse propose une aprroche pour l'étude et le contrôle du comportement dynamique des grands miroirs déformables destinés au futur extrêmement grand télescope E-ELT dont la première lumière est prévue pour 2017. J'y présente une étude appliquée à un prototype de 1 m du concept à actionnement piézoélectrique du miroir déformable. Les paramètes modaux sont tout d'abord déterminés via une modélisation par la méthode des éléments finis et une analyse modale expérimentale. Ils sont utilisés par la suite pour construire un modèle d'état miroir qui va permettre d'étudier sa réponse fréquentielle à des excitations qui stimulent son fonctionnement. Finalement, je propose dans ce travail des moyens de contrôle passifs et actifs des vibrations de la structure du miroir. Les résultats nous montrent que les modélisations classiques des miroirs déformables par des systèmes à une entrée et une sortie dans la boucle globale de l'optique adaptative ne sont pas représentatives de leur comportement dynamique s'ils ont des modes propres dans la plage de fréquences de fonctionnement. Une modélisation multi entrée multis sorties est alors indispensable pour modéliser cette dynamique propre. Les résultats nous montrent aussi que le contrôle des vibrations de ces grandes structures est possible si on dispose d'un modèle décrivant de manière précise leur comportement dynamique
This thesis discusses the impact of the dynamical behaviour of the deformable mirror (DM) on the adaptive optics (AO) control loop. The study focuses on the prototype of the large DM of the E-ELT (European Extremely Large Telescope), which first light is planned for 2017. I present here a global approach to apprehend such structures and insert them in the AO loop. The modal parameters of the structure of a 1 m prototype of the deformable mirror are firstly determined through a finite element model and through an experimental modal analysis. The frenquency response of the mirror is then studied in the modal and in the Zernike base. The excitations are defined to simulate the behaviour of the deformable mirror while correcting the turbulent wave fronts. Finally, I present some active and passive ways to control the vibrations of the mirror. The results show that the classical modelling of a deformable mirror in a single input single output way when studying the global adaptative loop behaviour no longer applies when the deformable mirror gets its own dynamics. A multi input multi output model is than necessary to represent these dynamics. The results also show that the control of the vibrations of such structures is possible if we have an accurate model of the dynamical behaviour of the deformable mirror

Cette thèse est consacrée à l'étude des micro-miroirs déformables pour l'optique adaptative. Les miroirs déformables actuels montrant aujourd'hui leurs limites en terme de nombre d'actionneurs et d'espace inter-actionneurs, une nouvelle classe de miroir doit être développée. En plus de satisfaire des spécifications actuelles requerrant entre autres une course de dix microns, une réponse linéaire et une bande passante supérieure au kilohertz, ces miroirs déformables devront aussi être compacts et comporter plusieurs milliers d'actionneurs. L'originalité de notre approche tient en la réalisation, en collaboration avec le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes, de micro-miroirs déformables basés sur la technologie des MOEMS et en l'élaboration de couches sacrificielles et structurales en matériau Polymère.
Des moyens de modélisation et de caractérisation sont mis en œuvre pour comprendre le comportement de tels composants. Un banc de caractérisation interférométrique est développé afin d'étudier des composants dont les dimensions varient de la dizaine de microns à vingt millimètres. Les mesures de la qualité optique et du comportement électro-mécanique sont menées à bien en travaillant avec l'interférométrie à décalage de phase dont la résolution est inférieure au nanomètre. L'analyse dynamique incluant les modes de vibration et les fréquences de coupure, est effectuée avec l'interférométrie moyennée dans le temps.
Un prototype de micro-miroir déformable a été fabriqué dans une fonderie externe. Celui-ci comporte 9 actionneurs dont la course mesurée est de 350 nm. Cette valeur est trop faible pour générer les déformations dont nous avons besoin. En revanche, l'utilisation pour la première fois du procédé polymère a permis d'élaborer un actionneur permettant une course de 2 microns pour 30 V, confirmant les choix effectués jusqu'ici. Une électronique a été conçue et réalisée afin de rendre linéaire la réponse électrostatique de ces composants. Des simulations préliminaires montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. La conception de micro-miroirs déformables en polymère apparaît donc comme une voie prometteuse.

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

Nous avons développé une technologie nouvelle et interdisciplinaire pour créer des systèmes optiques à base de métamatériaux extrêmement légers, limités par la diffraction, avec une qualité optique exceptionnelle et un coût et un temps de production spectaculairement inférieurs : Live-Mirror. La nouveauté est de remplacer les miroirs optiques rigides et lourds classiques par des systèmes optoélectroniques dynamiques « vivants » et légers constitués d'une fine feuille de verre optique activement soutenue par plusieurs actionneurs / capteurs de force intégrés et miniaturisés via la fabrication additive et l'impression 3D. Nos fonctionnalités révolutionnaires Live-Mirror et le contrôle actif de la forme avec des actionneurs de force à plusieurs degrés de liberté obtenus en développant une technologie additive basée sur l'impression 3D pour appliquer un système optimisé de polymère électroactif (EAP) à un sandwich de surfaces de verre minces, ainsi créant un nouveau métamatériau hybride avec des propriétés de rapport rigidité / densité supérieures. Cette thèse décrit le développement d'actionneurs souples à base d'EAP modifiés / dopés, ici appelés terpolymère P (VDF-TrFE-CFE). Nous montrerons que cette nouvelle matrice de terpolymère personnalisée Live-Mirror présente une propriété de couplage électromécanique exceptionnelle, en particulier lorsqu'elle est dopée avec un plastifiant, par ex. phtalate de diisononyle (DINP). Ici, nous démontrons qu'en optimisant la conception multicouche structurée, le couplage électromécanique du terpolymère modifié peut être amélioré, offrant une permittivité diélectrique élevée, un module d'Young faible et une rigidité diélectrique exceptionnelle. Cela conduit à une réponse de déformation importante ainsi qu'à une densité d'énergie mécanique élevée sous des champs électriques relativement faibles selon le phénomène d'électrostriction - l'objectif principal des spécifications de haut niveau de Live-Mirror. En plus d'une matrice de terpolymère personnalisée, le concept de multicouches empilées est démontré comme une technique simple et efficace pour augmenter les capacités d'actionnement. Plusieurs résultats expérimentaux de preuve de concept imprimés en 3D (en laboratoire), qui sont en bon accord avec les modèles numériques, valident les performances de l'actionneur avec une grande réponse électromécanique. Cette technologie montre la faisabilité d'un contrôle actif de la forme de la surface optique et montre le contrôle et la correction de la forme optique Live-Mirror avec seulement quelques degrés de liberté. Une telle application d'actionneur novatrice et avancée via une technologie de fabrication additive est compatible avec les télescopes d'astronomie et de communication basés au sol et dans l'espace ainsi que de nombreux appareils électroniques modernes
We have developed new and interdisciplinary technology for creating extremely lightweight, diffraction-limited, meta-material-based optical systems with exceptional optical quality and spectacularly lower cost and production time: Live-Mirror. The novelty is to replace classical rigid and heavy optical mirrors with “live” and light dynamic optoelectronic systems consisting of a thin optical glass sheet actively supported by multiple force-actuators/sensors integrated and miniaturized via additive manufacturing and 3D printing. Our breakthrough Live-Mirror features and active shape control with many-degrees-of-freedom force actuators achieved by developing an additive 3D-printing-based technology to apply an optimized electroactive polymer (EAP) systems to a sandwich of thin glass surfaces, thus creating a novel hybrid meta-material with superior stiffness-to-density ratio properties. This thesis describes the development of soft actuators based on modified/doped EAPs, here dubbed terpolymer P(VDF-TrFE-CFE). We will show that this new and Live-Mirror customized terpolymer matrix features an outstanding electromechanical coupling property, particularly when doped with a plasticizer, e.g. diisononyl phthalate (DINP). Here we demonstrate that by optimizing the structured multilayer design, the electromechanical coupling of the modified terpolymer can be enhanced, yielding high dielectric permittivity, low Young modulus, and exceptional dielectric strength. This leads to a large strain response as well as high mechanical energy density under relatively low electric fields according to the electrostriction phenomenon – the main goal of the high-level specifications of Live-Mirror. In addition to a customized terpolymer matrix, the concept of stacked multilayers is demonstrated as a simple and effective technique to boost actuation abilities. Several 3D-printed, proof-of-concept (in the lab) experimental results, which are in good agreement with numerical models, validate the actuator performance with a large electromechanical response. This technology shows feasibility for active optical surface shape control and demonstrates the Live-Mirror optical shape control and correction with only a few degrees-of-freedoms. Such a novel and advanced actuator application via additive manufacturing technology are compliant for ground- and space-based astronomy and communications telescopes as well as many modern electronic devices

Cette thèse présente les méthodes de conception de deux caméras catadioptriques capables de capturer des images exploitables d'environnements hétérogènes. Ces caméras s'inscrivent dans le domaine de la vision adaptative, qui rassemble les caméras dont la partie optique ou le capteur ont des propriétés hétérogènes qui peuvent varier au cours du temps. Les caméras adaptatives sont capables, entre autres, de capturer des environnements hétérogènes dont les propriétés physiques ou la géométrie varient dans l'espace. La thèse propose une revue de l'état de l'art des caméras adaptatives qui permettent de capturer certains types d'environnements hétérogènes. Dans un premier temps, on considère les scènes caractérisées par une variation spatiale de luminances, d'une gamme dynamique de l'ordre de 120 décibels. Ces scènes mettent en difficulté les caméras conventionnelles, dont les images ont des pixels d'intensité saturée et d'autres trop sombres, à cause de leur dynamique plus faible. Dans les deux cas, ces zones d'image n'apportent pas d'informations visuelles sur la scène, elles ne sont pas exploitables. Afin de capturer les luminances associées à ces zones claires et sombres, les caméras à large gamme dynamique (HDR) sont employées. Néanmoins, à l'heure actuelle, aucune caméra HDR n'est panoramique. C'est l'objet de la première contribution de cette thèse : concevoir une caméra panoramique HDR, afin d'améliorer la navigation de robots en extérieur par la perception visuelle seule dans des environnements à luminances variées. Montée sur un robot mobile, elle accroît le domaine de convergence et la précision en positionnement du robot en extérieur par asservissement visuel direct. Dans un second temps, on s'intéresse aux scènes dont le niveau de détail est non-uniforme dans l'espace : certains éléments de la scène présentent sont plus riches en informations visuelles que les autres. Afin de capturer de tels environnements hétérogènes, la deuxième contribution de cette thèse est une caméra adaptative. Elle s'appuie sur un nouveau miroir déformable dont les courbures locales permettent d'accroître ou de réduire le nombre de pixels qu'occupent les régions de la scène dans l'image. Cette caméra, surnommée Visadapt, capture des images multi-résolution selon le contenu de la scène. D'une scène à l'autre, il est possible de changer la forme du miroir afin d'optimiser la résolution des images qu'elle capture à cette nouvelle scène. La surface du miroir est constituée d'un matériau à la fois réfléchissant et déformable, le mylar et se déforme par une grille d'actionneurs linéaires placés sous sa surface. Ce miroir, plan à l’état initial, peut se déformer afin que les régions de la scène soient capturées par Visadapt à la résolution désirée. Une étude en simulation a permis de fixer les caractéristiques de Visadapt, notamment les dimensions et les matériaux des différents éléments qui la constituent, ainsi que l'espacement inter-actionneurs. Un prototype a été réalisé à partir des paramètres fixés en simulation. Les expérimentations réalisées ont montré que ce prototype est capable de magnifier jusqu'à quatre zones de la scène à la fois. Cette thèse se conclut sur des perspectives de travail qui proposent d'améliorer les prototypes des deux caméras conçues afin d'améliorer leurs performances et la variété des images qu'elles peuvent capturer. De plus, elle propose des pistes de recherche afin d'aller plus loin sur ces deux concepts de caméras et même sur la vision adaptative en général
This thesis presents the conception methods of two catadioptric cameras capable of recording usable images of heterogeneous environments. These cameras belong to the adaptive vision field, which gathers the cameras of which the optics or sensor have heterogeneous properties which can vary across time. Adaptive cameras abilities include capturing heterogenous environments which physical or geometrical properties change across space. This thesis proposes a survey of the state of the art on adaptive cameras which are able to capture specific types of heterogenous environments. On the one hand, we consider the scenes characterized by a spatial variation of radiances, with a dynamic range around 120 decibels. These scenes put conventional cameras in difficulty, their images have some pixels saturated and others to dark, because of their low dynamic range. In both casses, these image regions does not carry any visual information about the scene, they are not usable. In order to capture the radiances corresponding to these bright and dark areas, the high dynamic range cameras (HDR) are used. Nonetheless, there is no available HDR panoramic camera yet. Therefore, the first contribution of this thesis is the conception of an HDR panoramic camera in order to improve robots navigation, with only visual perception, in outdoor scenes with various. Mounted on a mobile robot, this camera enlarges the convergence domain and the positioning accuracy of a robot by direct visual servoing, outdoors. On the other hand, we consider the scenes which have a non-uniform level of details across space : some scene elements carry more visual information than the others. To capture such heterogeneous environments, the second contribution of this thesis is an adaptive camera. This camera is based on a new deformable mirror of local curvatures allowing to enlarge or reduce the number of pixels occupied by scene regions in the image. This camera, nicknamed Visadapt, capture multi-résolution images which depend on scene content. From one scene to another, the shape of the mirror may be changed to optimise the resolution of the images captured to this new scene. The surface of the mirror is made of material both reflective and deformable, the mylar, and changes of shape thanks to a grid of linear actuators placed underneath. This mirror, plan as an initial state, is able to change shape to give to the scene regions captured by Visadapt the desired resolution in the image. The characteristics of Visadapt, particularly the dimensions, the materials of its different elements and the actuators pitch, have been defined thanks to a simulation study. A real prototype have been built to respect the parameters defined by the simulation. The experiments shown that this prototype is able to magnify up to four scene regions at once. This thesis ends with a conclusion presenting future works to upgrade the prototypes of the two cameras, in order to enhance their performances and the diversity of images they can capture. Furthermore, this conclusion proposes research tracks to improve even further these two cameras and even adaptive vision in general