Les spectro-imageurs compacts de nouvelle génération pour l'observation de l'Univers et de la Terre

Next generation MOEMS-based spectro-imagers for Universe and Earth observation

• Auteur / Autrice : Mathieu Vachey
• Direction : Frédéric Zamkotsian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Buat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Briottet, Serge Monneret, Vincent Costes, Arnaud Liotard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Reynaud, Andrea Bianco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre

Espace extra-atmosphérique

Imagerie hyperspectrale

Spectroscopie à haute résolution

Spectroscopie

Télescopes spatiaux

Optique adaptative

Mots clés libres

Spectro-Imageur

Moems

Observation de l’Univers

Observation de la Terre

Haute résolution spatiale

Haute résolution spectrale

Spectro-Imager

Moems

Universe observation

Earth observation

High spatial resolution

High spectral resolution

Résumé

Les spectro-imageurs sont essentiels pour l’observation de l’Univers et de la Terre. L’utilisation d’un composant MOEMS dont les micro-miroirs agissent comme des fentes programmables permet de faire de la spectroscopie multi-objets dans un champ de vue en 2D et d’augmenter l’efficacité et la compacité de l’instrument. BATMAN, un instrument pour l’observation de l’Univers à base de MOEMS à être installé au TNG aux Iles Canaries, utilise un DMD pour diriger le faisceau dans les bras imagerie ou spectroscopie. Un nouveau design d’un spectro-imageur pour l’observation de l’Univers à base de MOEMS est présenté. La bande de longueur d’ondes [370 nm – 950 nm] est divisée en quatre sous bandes et une résolution spectrale moyenne de 15000 est atteinte. La qualité image est meilleure que deux pixels détecteur et un seul détecteur est utilisé pour le spectrographe et pour toute la bande de longueurs d’ondes. Un nouvel spectro-imageur à base de MOEMS pour l’observation de la Terre a également été conçu sous contraintes de large champ de vue 2D (3°x1°), de qualité image (< 2 pixels détecteur = 11 µm) et de compacité. Le spectro-imageur observe dans le visible et une résolution spectrale moyenne de 1500 est atteinte. Les spectro-imageurs à base de MOEMS pour l’observation de l’Univers et de la Terre présentent des modes d’observations et des performances uniques dans le domaine spectral et aussi spatial. Ces instrument constituent un vrai challenge mais les designs optiques les ont prouvés réalisables à la fois pour des télescopes sur Terre et dans l’espace

Spectro-imagers are essential instruments for both Universe and Earth observation. Coupled to the use of MOEMS in the form of micro-mirrors acting as programmable slit masks, multi object spectroscopy in a 2D field of view is achieved, in addition to an increase in instrument efficiency and compacity. BATMAN, a MOEMS based spectro-imager for Universe observation to be installed at the TNG at the Canaria Islands, uses a Digital Micromirror-Device to split the light between its imaging and spectrograph arms. A new design for a DMD-based high-resolution spectro-imager for Universe observation is presented. The [370 nm – 950 nm] wavelength range is divided in four channels and a spectral resolution of 15 000 is achieved for every wavelength band, all within an image quality below two detector pixels and a single CCD for the spectrograph. A new MOEMS-based spectro-imager for Earth observation has been designed, with constraints of wide 2D field of view (3°x1°), image quality (< 2 pixels = 11 µm) and compacity. The instrument is panchromatic with a mean spectral resolution of 1500. A 3 mirror solution for both imager and spectrograph and using only aspheric surfaces has been designed; this simpler design allows for easier alignment and tolerancing and fits in a 40 cm x 50 cm x 90 cm box. MOEMs-based spectro-imagers for Universe and Earth observation show unique observational modes and performances both in spatial and spectral domains. These instruments are challenging but the optical designs have proven them to be achievable for ground-based and space-borne telescopes. MOEMS-based instruments are the next stepping stone for ground based and space telescopes