Apport de l’optique Freeform pour l’imagerie multi bandes spectrales compacte

Freeform mirror designs for aerospatial multi spectral band imaging systems

• Auteur / Autrice : Louis Duveau
• Direction : Thierry Lépine, Guillaume Druart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....) - Laboratoire Hubert Curien [Saint Etienne]
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Druart, Sylvie Paolacci-Riera
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvan Sortais, Vincent Nourrit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Optique

Nanosatellites

Imagerie multispectrale

Matériel infrarouge

Mots clés libres

Infrarouge

Multispectral

Freeform

Nanosatellite

Optique

Optronique

Conception Optique

Infrared

Multispectral

Freeform

Nano-satellite

Optical

Optronics

Optical Design

Résumé

Les récents développements dans la recherche aérospatiale visent à réduire le volume alloué aux instruments optiques ainsi que leur masse. Cette étude se focalise sur l’utilisation de surfaces freeform, qui sont des surfaces sans symétrie de révolution, pour concevoir des imageurs multi bandes spectrales basées sur des systèmes optiques catoptriques compacts. Les concepts réflectifs ont l’avantage d’être légers, achromatiques et potentiellement peu coûteux en raison de l’utilisation de matériaux moins chers. Cependant ils ont habituellement un champ de vue et une ouverture limités. L’utilisation de surfaces freeform permet d’augmenter ces paramètres d’ouverture et de champ de vue pour des systèmes décentrés avec l’inconvénient d’être plus complexes à calculer, fabriquer et aligner. Une méthode pour concevoir ces systèmes tout en prenant en compte ces difficultés à été développée et utilisée avec succès pour générer un système classique à trois miroirs pour de l’imagerie nanosatellitaire. Enfin, la même méthode à été utilisée pour optimiser un concept breveté basé sur une configuration innovante appelée alpha-Z compatible avec les spécifications de systèmes optiques pour boules optroniques gyrostabilisées. Ce concept à été fabriqué et testé à la fois dans le spectre visible et infrarouge thermique. Ces résultats démontrent la faisabilité de systèmes catoptriques à large ouverture et large champ de vue grâce à l’utilisation de surfaces freeform.

In aerospace applications, recent developments aim to reduce the allocated volume and mass of optical instruments. My studies focus on the use of freeform surfaces, which are surfaces that are not rotationally symmetric, to design compact catoptric systems to be used in multi spectral bands imaging instruments. Reflective designs have the advantage of being light, achromatic, and potentially low-cost due to cheaper materials involved, but are usually limited in field of view and aperture. The use of freeform allows an increase in performance such as on the field of view and F-number of obscuration-free reflective systems, with the drawback of being more complex to calculate, manufacture and align. A method to design such systems while taking into account all these difficulties has been invented and has been successfully used to generate a classical three mirror anastigmat for nanosatellite imaging. Finally, the same method has been proven efficient to optimize a patented system based on an unusual geometry called the alpha-Z configuration, for optronic pods applications. The alpha-Z system has been manufactured and tested both in thermal infrared and visible domains. These results demonstrate that large field of view and large aperture compact multi spectral band imaging systems can be successfully designed using freeform surfaces.