Curved sensors for ultraviolet aurora monitoring from space

par Kelly Joaquina

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Astrophysique et cosmologie

Sous la direction de Emmanuel Hugot.

Soutenue le 14-12-2021

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Amram.

Le jury était composé de Elizabeth George, Mélanie Heil.

Les rapporteurs étaient Mathieu Barthelemy, Manuel Fendler.

mots clés

• Capteur courbe
• Observation
• Aurores
• Ultraviolet
• Design optique
• Astrophysique
• Optique
• Capteurs optiques
• Détecteurs de rayonnement ultraviolet
• Rayonnement ultraviolet
• Aurores

Titre traduit

Caméra à capteur courbe pour l'imagerie en ultraviolet des aurores polaires depuis l'espace

Résumé

Au cours de cette thèse, a été étudié pour la première fois l’avantage d’inclure une surface focale courbe dans un système réfractif grand champ pour l’observation d'aurore boréale dans l'ultraviolet (UV). La principale contrainte dans l’UV est le manque de matériaux ayant une haute transmissivité. Habituellement les imageurs utilisant des miroirs sont privilégiés pour les observations UV. Cependant ces systèmes sont limités à un petit champ d'observation et une faible ouverture. Ces limitations peuvent être levées par l'utilisation de surface focales courbes. Un système optique réfractif peut atteindre un large champ de vision. Associé à une surface focale courbe, il est également possible d'obtenir une sensibilité plus élevée en réduisant le nombre d'éléments optiques. Dans cette étude, une relation directe entre la sensibilité et l’amplitude de courbure a été établie. Le nombre d’éléments optiques et l’uniformité des performances sur le champ de vue ont également été analysés. Grâce à cette innovation technique, il est montré la possibilité d'observer de faibles aurores boréales depuis l’espace avec une sensibilité élevée. Puis, un procédé de courbure a été mis au point. Plusieurs capteurs CMOS ont été courbés avec succès suivant des formes convexes et concaves pour différents rayons de courbure. Une caméra UV compacte à grand champ et sensible a été conçue grâce à l’introduction d’une surface focale sphérique. Des prototypes de capteurs courbes ont été réalisés et caractérisés. L’imagerie grand champ peut être considérablement améliorée par des capteurs d’image courbes, bénéficiant ainsi à la communauté scientifique

mots clés

• Curved sensors
• Observation
• Aurora
• Ultraviolet
• Optical design

Résumé

During this thesis, the advantage of including a curved focal surface in a wide field refractive system for the observation of the aurora in the ultraviolet (UV) was investigated for the first time. The main constraint in UV is the lack of materials with high transmissivity. Usually, imagers using mirrors are preferred for UV observations. However, these systems are limited to a small field of view and a low aperture. These limitations can be overcome by the use of curved focal surfaces. A refractive optical system can provide a wide field of view. In combination with a curved focal surface, it is also possible to achieve higher sensitivity by reducing the number of optical elements. In this study, a direct relationship between sensitivity and amplitude of curvature was established. The number of optical elements and the uniformity of performance over the field of view were also analyzed. Thanks to this technical innovation, it is shown the possibility of observing faint aurora from space with high sensitivity. Then, a bending process was developed. Several CMOS sensors have been successfully bent into convex and concave shapes for different radii of curvature.A compact, wide-field, and sensitive UV camera was designed with the introduction of a spherical focal surface. Prototypes of curved sensors have been produced and characterized. Wide-field imaging can be greatly enhanced by curved image sensors, thus benefiting the scientific community