Dissertations / Theses 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

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

L'optique adaptative est une technique consistant à faire réfléchir un front d'onde perturbé à la surface d'un miroir déformable afin de le corriger. La surface d'un ferrofluide est déformable par un champ magnétique permettant son utilisation dans un dispositif d'optique adaptative. Les MeLLFs, constitués d'un film de nanoparticules d'argent à l'interface air-eau stabilisées par un ligand dithiocarbamate sont utilisés pour augmenter la réflectivité des dispositifs. Dans ce projet de maitrise, plusieurs techniques ont été utilisées pour comprendre quels paramètres rendent les MeLLFs plus réfléchissants. Ainsi, des analyses Uv-Visible ont été utilisées pour la détermination de la réflectivité et de l'opacité des MeLLFs. La spectroscopie Raman a été utilisée pour caractériser la fonctionnalisation des nanoparticules par les ligands. Finalement, la microscopie électronique en transmission (MET) a été utilisée pour déterminer la taille des particules et la densité de particules à la surface.

Cette thèse a pour sujet la modélisation et le contrôle des processus intervenant lors de l'amplification d'impulsions laser à dérive de fréquence.
Nous présentons les modèles utilisés, qui prennent en compte la propagation, les effets non linéaires et les effets thermiques se produisant dans les chaînes laser basées sur le principe de l'amplification à dérive de fréquence. Une validation expérimentale de ces modèles a permis de souligner l'importance des aspects spatiaux du laser pour modéliser finement le processus d'amplification.
Nous avons également étudié l'importance, durant la propagation, des aspects spatiaux avec des calculs de propagation après un miroir déformable et montré toutes les précautions nécessaires pour l'utilisation d'une boucle d'optique adaptative. Cette boucle d'optique adaptative est utilisée maintenant de manière journalière pour garantir la qualité de la tache focale du laser 100 TW du LOA.
Nous avons réalisé des études sur les effets spatio-temporels créés dans les systèmes de lentilles. Le retard local et l'élargissement de la durée globale, dus au temps de propagation (PTD) dans un système de lentilles, ont été mesurés. Cette mesure directe de l'élargissement global de la durée temporelle est la première à notre connaissance.
Enfin, le futur laser Pétawatt (LUIRE) du LOA a été dimensionné avec les modèles validés précédemment. Nous pouvons atteindre le régime Pétawatt (30 J, 30 fs) avec un amplificateur multipassage supplémentaire dont les caractéristiques sont présentées.

Les travaux rapportés dans ce mémoire concernent la génération d’impulsions courtes dans des sources lasers à fibre optique intégrant des composants MEMS (Micro- Electro- Mechanical- System). L’association de ces modulateurs compacts et rapides au déclenchement de cavités lasers courtes, a permis d’obtenir des impulsions en régime nanoseconde. Ces microcomposants ont également montré leur capacité à atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures au mégahertz, nécessaires au régime à verrouillage de modes d’une cavité laser. Ce nouveau système laser impulsionnel a mis en évidence la capacité des micro-miroirs déformables à remplacer des modulateurs plus communs, tels que les modulateurs acousto-optiques et électro-optiques. Ils offrent alors un fort potentiel de miniaturisation et de réduction du coût des sources lasers impulsionnelles à fibre optique
This work deals with the integration of MEMS (Micro- Electro- Mechanical- System) in fibre laser systems in order to generate short pulses. Q-switching short laser cavities associated with these components produces pulses in the nanosecond regime. These deformable micro-mirrors reached modulation frequencies upper than one megahertz, giving access to mode-locking in fibre laser sources. This new fibre laser system showed MOEMS capability to replace more famous modulators, as acousto-optic or electro-optic ones. They offer a good potential in miniaturization and cost reduction of pulsed fibre laser sources

Cette thèse a été menée dans le domaine des microsystèmes magnétiques. Des actionneurs magnétiques de type réseaux de bobines planaires de champ sont conçus, simulés et caractérisés. Les microtechnologies utilisées et développées permettent une miniaturisation poussée et une fabrication collective. La fonction de ces bobines est d'exercer les forces locales nécessaires au contrôle de la déformation de membranes magnétiques souples. Des membranes polymères de diamètre 40 mm sont élaborées sur substrat et les composants aimantés sont collés en vis à vis avec les bobines. L'application étudiée est un miroir déformable utilisé en astronomie pour corriger la planéité du front d'onde de la lumière incidente dans les télescopes spatiaux ou au sol. Ce type de miroir, plus compact que ceux actuellement employés et de résolution potentiellement supérieure, est conçu à l'aide de modélisation magnétique et mécanique, et un prototype est réalisé

Le sujet de cette thèse est la caractérisation dynamique d’une surface générée par plusieurs actionneurs d’un miroir ferrofluidique intégré dans un montage d’optique adaptative.Elle conclut un projet de doctorat au sein du groupe Borra s’étant échelonné sur 4 années. Un bref portrait général de l’optique adaptative est d’abord présenté, suivi d’une section sur la théorie du contrôle. Les types de contrôleurs y sont abordés, soit PID et surcharge. L’effet de la viscosité sur la réponse dynamique du système, ainsi que les analyseurs de front d’onde utilisés sont ensuite expliqués. La section résultats est subdivisée en plusieurs sous-sections ordonnées de façon chronologique. Dans un premier temps, il est question des résultats obtenus dans le cadre d’une caractérisation d’un nouveau miroir de 91 actionneurs fabriqué au sein du groupe. Il est ensuite question des résultats obtenus avec diverses techniques telles le PSD et l’imagerie déclenchée. Il y aura toute une section sur les résultats en vitesse, en fonction de la viscosité du liquide, suivie d’une section sur les simulations réalisées avec Simulink afin de bien cibler les limites du système. Les résultats portant sur la technique de surcharge des actionneurs seront ensuite présentés avec des projections futures. La dernière partie de cette thèse portera sur une innovation apportée par un autre membre du groupe. Nous parlerons de la déposition d’une membrane élastomère réfléchissante et de ses effets sur la dynamique du système.
The subject of this thesis is the dynamic characterization of a surface generated by a ferrofluidic mirror integrated in an adaptive optics bench. It ends a PhD project within the Borra group that has been carried out for the past 4 years. At first there’s going to be a brief overview of adaptive optics in general, followed by a section on control theory. Controller types are discussed, PID and overdrive. The effect of viscosity on the dynamic response of the system is then explained followed by a section on wavefront analysers used. The results section is divided into several sub-sections ordered chronologically. At first, the results obtained through a characterization of a new mirror made of 91 actuators manufactured within the group are discussed. The results with various techniques such as PSD and triggered imaging are explained. There will be a whole section on the speed results depending on the viscosity of the liquid, followed by a section on simulation done with Simulink in order to target the system boundaries. The results bearing on the overdrive controller will then be presented with future projections. The last part will focus on an innovation brought by another group member. We will discuss the deposition of a reflective elastomeric membrane and its effects on system dynamics.

Cette thèse vise à investiguer des moyens d'optimiser les performances de l'imagerie à haut contraste dans l'optique et le proche infrarouge pour la détection d'exo-planètes. L'étude principale a été menée sur le contraste à faible séparation permettant l'imagerie d'exo-planètes dans leur zone habitable. Cette détection directe est rendue possible par le développement des futurs grands télescopes et de coronographes de plus en plus performants à faible séparation. L'approche retenue permet de créer une zone sombre à haut contraste grâce à la coronographie et au « wavefront shaping » (contrôle de l'amplitude et de la phase avec 2 miroirs déformables), mais qui est limité par les effets de propagation de Fresnel. Les résultats obtenus ont déterminé les limitations de configuration optique pour le « wavefront shaping ». Grâce à une approche semi-analytique soutenue par des simulations numériques et une approche Monte-Carlo, ces limitations ont été analysées et quantifiées pour extraire les configurations optimales. Les résultats ont été appliqués au banc SPEED dont l'objectif est d'optimiser et de tester le haut contraste à faible séparation. Une deuxième étude a été une contribution à une étude générale de stabilité, en traitant la stabilité temporelle comme un paramètre indispensable dans la conception en amont d'instrument haut contraste. Un travail préliminaire a été initié sur la stabilité des instruments de mesure eux-mêmes à travers l'étude thermique d'un système de métrologie. Enfin, un dernier volet a été une étude de simulation de performances d'un nouveau concept d'imagerie différentielle basé sur l'acquisition d'images réalisées avec différentes tailles de pupilles
This thesis aims to optimize high-contrast imaging performance in visible and near infrared for exoplanet detection. The main study focuses on high-contrast at small separation, to image exoplanets in their habitable zone. This direct detection is achievable with the next Extremely Large Telescopes and with the development of coronagraph providing high performance at small separation. The approach adopted for this study creates a high-contrast region (a dark hole) with the combination of coronagraphy and wavefront shaping (wavefront control of both phase and amplitude with 2 deformable mirrors) but is limited by the Fresnel propagation of phase aberrations. The goal of this work is to define the wavefront shaping limitation in optical configuration (deformable mirrors location, component optical quality, beam diameter). A semi-analytic approach followed by a Monte-Carlo analysis of numerical end-to-end simulations is studied, resulting in the definition of the optimal configuration. Results are then applied to SPEED, a test bench to optimize and test high-contrast imaging at small separation with a segmented pupil. Another aspect of this thesis is a contribution to a stability study to treat the temporal stability as a crucial parameter in high-contrast imaging instrumentation, at the conception level. A preliminary work is initiated during the thesis to analyse the stability of the measuring instrument itself. A metrology tool and its thermal behaviour are thus studied. Finally, the last part of this thesis is a performance analysis of a new differential imaging technique, developed to improve high contrast with observations with different diaphragm sizes

L’optique adaptative est une technologie s’intégrant de plus en plus à de nombreuses applications, de la capture d’images astronomiques à la transmission de données en télécommunication, tout en passant, par exemple, par l’amélioration des diagnostics en ophtalmologie. Son atout principal réside dans un miroir déformable lui permettant d’améliorer un signal dégradé par des perturbations. Il existe une grande variété de miroirs déformables. Certains ont une surface continue ; d’autres sont segmentés. Toute une batterie de techniques sont employées pour déformer et contrôler leur surface : des systèmes hydrauliques, piézoélectriques, électrostatiques et magnétiques ont été développés au fil des dernières années. Les derniers nés durant cette évolution technologique sont les miroirs ferrofluidiques. Les miroirs ferrofluidiques ont de nombreux points forts. Outre leur faible coût de conception, ils ont la capacité de fournir de grandes amplitudes (de l’ordre du millimètre) de déformation sous l’influence d’une combinaison de champs magnétiques. Ces miroirs sont développés et étudiés au sein des laboratoires du COPL à l’université Laval. Ils sont l’objet principal sur lequel s’appliquera le présent travail. Actuellement, le nombre sans cesse croissant des actionneurs oblige le développement de méthodes optimales de contrôle. Selon le domaine d’application, une image ou un signal capté nécessitera une dizaine, voire plusieurs centaines de corrections par seconde. Il est donc important que les calculs se fassent rapidement. D’autre part, ce nombre croissant d’actionneurs amène la question de la meilleure stratégie à suivre pour le contrôle optimal de la surface du miroir. Doit-on se restreindre à l’utilisation d’un unique contrôleur ou, au contraire, à en multiplier leur nombre au point que chaque actionneur possédera son propre contrôleur ? Quelle que soit la stratégie déployée, la phase de calibration est une étape clé. Pour un contrôleur en optique adaptative, elle est assez simple même si elle s’avère parfois longue lors de la recherche des paramètres optimaux. Quelle est la meilleure méthode pour calibrer le contrôleur ? Une calibration automatisée est-elle envisageable ? Peut-on espérer que le contrôleur évolue et s’adapte si les conditions ambiantes changent et cela sans intervention humaine ? Plus en avant, les questions suivantes concernent la mise en application de la stratégie : est-elle aisément applicable ? Sous quelles conditions ? Y aura-t-il des limitations ? Si oui, sont-elles significatives ? Sont-elles insurmontables ? Le présent travail tente de répondre à ces questions dans le cadre du contrôle de miroirs ferrofluidiques, quel que soit le contexte de l’utilisation d’un tel miroir. L’objectif final est de développer un contrôleur évolutif et optimal capable de gérer un système équipé aussi bien de quelques dizaines d’actionneurs que de plusieurs centaines, et s’ajustant de lui-même aux conditions environnementales sans cesse en évolution.
Adaptive optics is an evolving technology and integrated part of many applications. Its contributions extend from the astronomical imaging to the data transmission in telecommunications domain including the improvement of ophthalmologic diagnostics. Its main asset consists of its deformable mirrors and, thus, its ability to correct a signal degraded by random perturbations. There are many kinds of deformable mirrors. These with a continuous surface and also with several segments. A great variety of methods exists to control the surface geometry: hydraulics, piezoelectric, electrostatic and magnetic systems have been developed in the last years. The most recent creation in adaptive optics is the ferrofluidic mirror. The ferrofluidic mirrors have many advantages. First, their manufacturing cost is very low. Moreover, a simple combination of magnetic fields is required to modify the shape of their surface and can give strong amplitudes of deformation (about millimeter). These mirrors are developed and studied in the COPL laboratory of Université Laval where they are the main target of the actual work. Nowadays the constant increasing number of actuators decrees the development of optimized methods to control deformable mirrors. A captured image or signal can require from some tens to several hundreds of Hertz to be corrected. The calculations must be at their fastest. On other hand, the increasing number of actuators raises a question about what strategy to deploy for getting the best control on the surface of deformable mirrors. Do we use a single controller for all the actuators? Or on the contrary do we need to equip each actuator with a dedicated controller? For any chosen strategy, the most important step is the calibration phase. In adaptive optics, this procedure is quite simple even though it sometimes takes a long time for finding the optimized parameters. What is the best method to calibrate a controller? Is an automatic calibration possible? Can we develop an evolving controller able to adapt to environmental variations without human action. There is some interrogation about the best way to apply th strategy. Can it be more efficient? Are there any limitations? If so, can we solve them? The subject of this document is to answer the previous questions regarding ferrofluidic mirrors. The final purpose of this work is to develop an evolving and optimized controller able to manage systems with several tens as well as several hundreds of actuators and, also, adapt itself to variations of surrounding conditions.

Ce travail étudie la possibilité de courber le lobe central d’un faisceau Bessel d’ordre zéro sur de longues distances le long de son axe de propagation à l’aide d’un miroir liquide déformable. La méthode suggérée est fixe de sorte qu’aucun élément optique ne se déplace lors du processus. La méthode permet de conserver la symétrie du lobe central lors de la trajectoire du faisceau. Des simulations théoriques ont été développées et montrent que différentes formes de courbures de trajectoires peuvent être produites. Plusieurs méthodes de production de faisceaux à trajectoires courbées ont été étudiées; citons les masques en transmission, les éléments optiques holographiques et les miroirs liquides déformables. Les résultats obtenus avec le miroir liquide déformable sont présentés et permettent, par exemple, de produire un faisceau Bessel d’ordre zéro Jo(αr) à trajectoire parabolique pouvant courber de 0,6 mm après une distance de propagation de 30 cm tout en conservant une largeur à mi-hauteur de 60 microns au niveau du lobe central. Des faisceaux avec des courbures de trajectoire d’ordre supérieur ont également été produits. Il a aussi été possible de séparer le lobe central d’un faisceau en deux lors de sa propagation et de faire courber un faisceau Bessel d’ordre 1 J₁(αr). Cette méthode est tout attitrée pour permettre l’inscription de guides d’onde courbés.
We propose a strategy to curve the trajectory of the central lobe of a zero order Bessel beam Jo(αr) along its propagation axis. The proposed method involves modifying the phase of the beam incident on an adaptive mirror. We show that the central lobe of the beam can be propagated along parabolic and cubic trajectories while preserving its symmetry. Theoretical simulations were reproduced in laboratory using an adaptive liquid mirror. The parabolic trajectory of the 60-micron central spot of a Jo(αr) beam exhibits a 0.6-mm off axis shift after 30-cm propagation. The versatility of the adaptive liquid mirror allows producing other beam shapes and trajectories. For example, it is possible to split the central lobe of a Bessel beam in two (Y shape); it is also possible to modify the diameter of a tunnel beam during the propagation a higher-order J₁(αr) Bessel beam. Comparison with Airy beams and potential applications in guided-wave optics will be discussed.

Cette thèse a été menée dans le domaine des microsystèmes magnétiques. Des actionneurs magnétiques de type réseaux de bobines planaires de champ sont conçus, simulés et caractérisés. Les microtechnologies utilisées et développées permettent une miniaturisation poussée et une fabrication collective. La fonction de ces bobines est d'exercer les forces locales nécessaires au contrôle de la déformation de membranes magnétiques souples. Des membranes polymères de diamètre 40 mm sont élaborées sur substrat et les composants aimantés sont collés en vis à vis avec les bobines. L'application étudiée est un miroir defotmable utilisé en astronomie pour corriger la planéité du front d'onde de la lumière incidente dans les télescopes spatiaux ou au sol. Ce type de miroir, plus compact que ceux actuellement employés et de résolution potentiellement supérieure, est conçu à l'aide de modélisation magnétique et mécanique, et un prototype est réalisé