The E-ELT first light spectrograph HARMONI: capabilities and modes

Trabajo presentado en SPIE Astronomical Telescopes, celebrado en San Diego (California), del 26 de junio al 1 de julio de 2016HARMONI is the E-ELT's first light visible and near-infrared integral field spectrograph. It will provide four different spatial scales, ranging from coarse spaxels of 60 × 30 mas best suited for seeing limited observations, to 4 mas spaxels that Nyquist sample the diffraction limited point spread function of the E-ELT at near-infrared wavelengths. Each spaxel scale may be combined with eleven spectral settings, that provide a range of spectral resolving powers (R 3500, 7500 and 20000) and instantaneous wavelength coverage spanning the 0.5 - 2.4 ¿m wavelength range of the instrument. In autumn 2015, the HARMONI project started the Preliminary Design Phase, following signature of the contract to design, build, test and commission the instrument, signed between the European Southern Observatory and the UK Science and Technology Facilities Council. Crucially, the contract also includes the preliminary design of the HARMONI Laser Tomographic Adaptive Optics system. The instrument's technical specifications were finalized in the period leading up to contract signature. In this paper, we report on the first activity carried out during preliminary design, defining the baseline architecture for the system, and the trade-off studies leading up to the choice of baseline

Développement d\u27un modèle numérique de l\u27instrument MUSE/VLT (Multi Unit Spectroscopic Explorer / Very Large Telescope)

Au cours de la dernière décade, la course aux grands et très grands télescopes a été accompagnée d\u27une augmentation non seulement de la taille et de la complexité des projets instrumentaux en astrophysique, mais aussi des exigences sur les performances des instruments. Cette combinaison de complexité et d\u27exigences accrues rend de plus en plus nécessaire le développement de modèles sophistiqués pour ces instruments. Ce mémoire de thèse présente le modèle numérique développé au Centre de Recherche Astronomique de Lyon (CRAL) pour simuler l\u27instrument MUSE. Cet instrument est un spectrographe intégral de champ pour les grands télescopes européens du VLT, en cours de réalisation par le CRAL. Ce modèle intègre l\u27ensemble de la chaîne d\u27acquisition, depuis l\u27atmosphère et le télescope jusqu\u27aux détecteurs inclus. Il prend en compte les aberrations optiques et les effets de la diffraction, en propageant un front d\u27onde à travers l\u27instrument selon le concept de l\u27optique de Fourier. Cette présentation du logiciel est accompagnée d\u27une discussion des difficultés rencontrées et des moyens mis en oeuvre pour les résoudre. Elle est suivie par des exemples de simulations et d\u27utilisations de ce logiciel pour étudier les performances attendues de l\u27instrument. En parallèle au travail de modélisation décrit ci-dessus, ce travail de thèse a aussi porté sur l\u27adaptation du logiciel de gestion documentaire du projet MUSE pour permettre son utilisation dans un environnement de travail UNIX. Ce travail est aussi décrit dans ce mémoire

Développement d'un modèle numérique de l'instrument MUSE / VLT (Multi Unit Spectroscopic Explorer / Very Large Telescope)

Au cours de la dernière décade, la course aux grands et très grands télescopes a été accompagnée d'une augmentation non seulement de la taille et de la complexité des projets instrumentaux en astrophysique, mais aussi des exigences sur les performances des instruments. Cette combinaison de complexité et d'exigences accrues rend de plus en plus nécessaire le développement de modèles sophistiqués pour ces instruments. Ce mémoire de thèse présente le modèle numérique développé au Centre de Recherche Astronomique de Lyon (CRAL) pour simuler l'instrument MUSE. Cet instrument est un spectrographe intégral de champ pour les grands télescopes européens du VLT, en cours de réalisation par le CRAL. Ce modèle intègre l ensemble de la chaîne d acquisition, depuis l'atmosphère et le télescope jusqu'aux détecteurs inclus. Il prend en compte les aberrations optiques et les effets de la diffraction, en propageant un front d'onde à travers l'instrument selon le concept de l'optique de Fourier. Cette présentation du logiciel est accompagnée d'une discussion des difficultés rencontrées et des moyens mis en oeuvre pour les résoudre. Elle est suivie par des exemples de simulations et d'utilisations de ce logiciel pour étudier les performances attendues de l'instrument. En parallèle au travail de modélisation décrit ci-dessus, ce travail de thèse a aussi porté sur l'adaptation du logiciel de gestion documentaire du projet MUSE pour permettre son utilisation dans un environnement de travail UNIX. Ce travail est aussi décrit dans ce mémoire.During the last ten years, the race to the large and very large telescopes has been associated with an increase of the size and the complexity of instrumental projects in astrophysics, and of their performance requirements. This combination of complexity and increased requirements encourages the development of sophisticated models for these instruments. This dissertation presents the numerical model developed at the Centre de Recherche Astronomique de Lyon (CRAL) to simulate the MUSE instrument. This instrument, currently being built at CRAL, is an integral field spectrograph which will be installed on one of the large European telescopes of the VLT. This model integrates the whole chain of acquisition from the atmosphere to the telescope and including the detectors. It takes into account both optical aberrations and diffraction effects, by propagating a wavefront through the instrument, according to the Fourier optics concept. The description of the software is associated with a discussion of the problems that have been encountered and the solutions that have been implemented. It is followed by examples of simulations and use cases of the software to study the performances of the instrument. In parallel to the modeling work described above, the product data management software used in the MUSE project has been adapted to the UNIX environment. This work is also described in this dissertation.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Modélisation et estimation de la PSF d'un instrument hyperspectral au sol pour l'astrophysique

International audienceThe study focuses on modelling and estimating the Point Spread Function of the hyperspectral data acquisition chain, for a ground-based instrument. The main difficulties lie in the PSF variations w.r.t. observational conditions, wavelength and position in the field of view. Such modelling is essential for the analysis and processing of these hyperspectral data. The effects of each component of the acquisition chain are studied, and a simple approximating model of the total PSF is proposed. Estimating the model parameters is also discussed. The suggested model allows one to take into account the spatial and spectral properties of the PSF, for analysis and processing methods. First estimating results on simulated data are promising.On s'intéresse à la caractérisation, à la modélisation et à l'estimation de la PSF (Point Spread Function) de la chaîne d'acquisition de données astrophysiques hyperspectrales pour un instrument au sol. Les difficultés essentielles proviennent de la variation de cette PSF en fonction des conditions d'observation et de sa variabilité spatiale et spectrale. Cette modélisation est indispensable pour un développement rigoureux des méthodes d'analyse et de traitement de telles données hyperspectrales. Nous étudions les effets de chaque élément de la chaîne d'acquisition et proposons une approximation de la PSF globale par un modèle cohérent mais simple. Nous étudions également les moyens à disposition pour estimer les paramètres de tels modèles. La modélisation proposée permet de bien appréhender les caractéristiques spectrales et spatiales de la PSF et donc de les prendre en compte dans les méthodes de traitement et d'analyse. Des premiers résultats d'estimation de la PSF sur des données simulées sont encourageants

Métrologie en milieu cryogénique grâce à un périscope de pointe

International audienceThe PIC (Photogrammetry Inside Cryostat) is a cutting-edge periscope designed to be used during the prototyping, testing and alignment phase of HARMONI, one of the first-generation instruments of the Extremely Large Telescope. The challenge posed by operating the HARMONI instrument at a temperature of 130 K required the development of different non-contact measurement techniques to qualify optical and mechanical parts without touching them. Photogrammetry is a non-contact measurement technique, but it needed to be adapted to be used in a cryostat ; this led to the development of the PIC. The periscope consists of a combination of six lenses, two mirrors, and three motorized degrees of freedom (the whole is mounted upside down on the lid of the test cryostat at CRAL in Lyon) and work together with an external camera to capture images at various angles. This is essential for obtaining accurate photogrammetric measurements. The motorized rotation systems allow for precise and controlled movements, and the combination of lenses and mirrors ensure that the images captured by the external camera are of the highest quality. The goal of the PIC is to obtain an accuracy of 25 µm + 5 µm/m, making it an essential component of the HARMONI tools and a major advancement in cryogenic photogrammetry.Le PIC (Photogrammetry Inside Cryostat) est un périscope de pointe conçu pour être utilisé pendant la phase de prototypage, de test et d'alignement de HARMONI, l'un des instruments de première génération de l'Extremely Large Telescope. Le défi posé par le fonctionnement de l'instrument HARMONI à une température de 130 K a nécessité le développement de différentes techniques de mesure sans contact pour qualifier les pièces optiques et mécaniques sans les toucher. La photogrammétrie est une technique de mesure sans contact, mais elle devait être adaptée pour être utilisée dans un cryostat, ce qui a conduit au développement du PIC. Le périscope se compose d'une combinaison de six lentilles, de deux miroirs et de trois degrés de liberté motorisés (l'ensemble est monté à l'envers sur le couvercle du cryostat d'essai du CRAL à Lyon) et fonctionne avec une caméra externe pour capturer des images sous différents angles. Ceci est essentiel pour obtenir des mesures photogrammétriques précises. Les systèmes de rotation motorisés permettent des mouvements précis et contrôlés, et la combinaison de lentilles et de miroirs garantit que les images capturées par la caméra externe sont de bonne qualité. L'objectif du PIC est d'obtenir une précision de 25 µm + 5 µm/m, ce qui en fait une composante essentielle des outils d'AIT d'HARMONI et une avancée majeure dans la photogrammétrie cryogénique

The data processing pipeline for the MUSE instrument

The processing of raw data from modern astronomical instruments is often carried out nowadays using dedicated software, known as pipelines, largely run in automated operation. In this paper we describe the data reduction pipeline of the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) integral field spectrograph operated at the ESO Paranal Observatory. This spectrograph is a complex machine: it records data of 1152 separate spatial elements on detectors in its 24 integral field units. Efficiently handling such data requires sophisticated software with a high degree of automation and parallelization. We describe the algorithms of all processing steps that operate on calibrations and science data in detail, and explain how the raw science data is transformed into calibrated datacubes. We finally check the quality of selected procedures and output data products, and demonstrate that the pipeline provides datacubes ready for scientific analysis

HARMONI: a single-field wide-band integral-field spectrograph for the European ELT

Trabajo presentado en SPIE Astronomical Telescopes, celebrado en San Diego (California), del 15 de junio al 2 de julio de 2010We describe the results of a Phase A study for a single field, wide band, near-infrared integral field spectrograph for the European Extremely Large Telescope (E-ELT). HARMONI, the High Angular Resolution Monolithic Optical & Nearinfrared Integral field spectrograph, provides the E-ELT’s core spectroscopic requirement. It is a work-horse instrument, with four different spatial scales, ranging from seeing to diffraction-limited, and spectral resolving powers of 4000, 10000 & 20000 covering the 0.47 to 2.45 μm wavelength range. It is optimally suited to carry out a wide range of observing programs, focusing on detailed, spatially resolved studies of extended objects to unravel their morphology, kinematics and chemical composition, whilst also enabling ultra-sensitive observations of point sources. We present a synopsis of the key science cases motivating the instrument, the top level specifications, a description of the opto-mechanical concept, operation and calibration plan, and image quality and throughput budgets. Issues of expected performance, complementarity and synergies, as well as simulated observations are presented elsewhere in these proceeding

The E-ELT first light spectrograph HARMONI: capabilities and modes

HARMONI is the E-ELT’s first light visible and near-infrared integral field spectrograph. It will provide four different spatial scales, ranging from coarse spaxels of 60 × 30 mas best suited for seeing limited observations, to 4 mas spaxels that Nyquist sample the diffraction limited point spread function of the E-ELT at near-infrared wavelengths. Each spaxel scale may be combined with eleven spectral settings, that provide a range of spectral resolving powers (R ~3500, 7500 and 20000) and instantaneous wavelength coverage spanning the 0.5 – 2.4 μm wavelength range of the instrument. In autumn 2015, the HARMONI project started the Preliminary Design Phase, following signature of the contract to design, build, test and commission the instrument, signed between the European Southern Observatory and the UK Science and Technology Facilities Council. Crucially, the contract also includes the preliminary design of the HARMONI Laser Tomographic Adaptive Optics system. The instrument’s technical specifications were finalized in the period leading up to contract signature. In this paper, we report on the first activity carried out during preliminary design, defining the baseline architecture for the system, and the trade-off studies leading up to the choice of baseline

HARMONI at ELT: overview of the capabilities and expected performance of the ELT's first light, adaptive optics assisted integral field spectrograph.

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