ANALYSE DE FRONT D'ONDE POUR LES OPTIQUES ADAPTATIVES DE NOUVELLE GENERATION

The performance of an adaptive optics (AO) system is intrinsically related to its capacity to measure the deformations of the incoming wavefront its propagation trough the atmosphere. However some limitations restrict the efficiency of this wavefront analysis. The main ones are the measurement noise and the anisoplanatism. The first one limits the magnitude of the astronomical objects that are likely to guide the AO systems, while the second one restricts their corrected field to a few tens of arcseconds, due to the volumic distribution of the atmospheric turbulence. Together, these limitations reduce to a few percents the sky coverage of the instruments assisted by AO. For this reason, rising generation of AO systems aims at either the very high performance, implying in particular a good robustness to measurement noise, or the widening of the corrected field, implying the knowledge of the 3D distribution of the atmospheric turbulence. For these wide field AO systems, it is essential to use several directions of analysis. The wavefront analysis problem is then articulated around three items: the guides stars one has to carry out for the multi-analysis, the wavefront sensing concept considered to measure the volume of turbulence and the capacity of the wavefront sensors to provide good measurements. The purpose of this PhD thesis is to study each one of these three aspects. Hence a redefinition of the concept of sky coverage is proposed for wide field AO. The definition suggested here takes into account the number of guide stars and their magnitude, but also the fraction of the scientific field that is really covered, the considered wavefront sensing concept and the expected performance of the instrument. Concerning the wavefront sensing concepts, a comparative study of the Star Oriented and Layer Oriented concepts is presented and an optimization is proposed for each one, leading to very close performance. Finally, a comparison of different wavefront slope estimators is proposed for the Shack-Hartmann wavefront sensor. In particular, a weighted center of gravity estimator is studied, that offers a good robustness to noise and good properties of linearity. This last study is usefull as well for wide field AO as for very high performance AO.La performance d'un système d'optique adaptative (AO) est intrinsèquement liée à sa capacité à mesurer les déformations subies par le front d'onde incident lors de sa traversée de l'atmosphère. Or un certain nombre de limitations restreignent l'efficacité de cette analyse de front d'onde. Les plus importantes sont le bruit de mesure et l'anisoplanétisme. Le premier limite la magnitude des objets astronomiques pouvant servir de guides aux systèmes d'AO, tandis que le second restreint leur champ corrigé à quelques dizaines de secondes d'arc, du fait de la distribution volumique de la turbulence atmosphérique. A elles deux, ces limitations réduisent à quelques pourcents la couverture de ciel des instruments assistés par AO. Pour cette raison, les nouvelles générations d'optiques adaptatives ont pour objectif soit la très haute performance, impliquant entre autres une bonne robustesse au bruit de mesure, soit l'élargissement du champ corrigé, impliquant la connaissance de la répartition 3D de la turbulence atmosphérique. Pour ces systèmes d'AO à large champ, il est indispensable d'utiliser plusieurs directions d'analyse. La problématique de l'analyse de front d'onde s'articule alors autour de trois pôles : les étoiles guides dont on dispose pour effectuer la multi-analyse, le concept d'analyse de front d'onde considéré pour mesurer le volume de turbulence et la capacité des senseurs de front d'onde à fournir des mesures de qualité. L'objectif de cette thèse est d'étudier chacun de ces trois aspects. Ainsi, une redéfinition de la notion de couverture de ciel est proposée pour les AO à large champ, permettant de prendre en compte le nombre d'étoiles guides et leur magnitude, mais également la fraction du champ scientifique qu'elles permettent de couvrir, le concept d'analyse de front d'onde considéré et l'objectif de performance de l'instrument. Par ailleurs une étude comparative des concepts d'analyse de front d'onde Star Oriented et Layer Oriented est présentée, sur laquelle on s'appuie pour proposer une optimisation de chaque concept. On montre ainsi qu'une fois optimisés ils présentent tous deux des performances très proches. Enfin, on propose dans un troisième temps une étude comparative de plusieurs estimateurs de pente pour l'analyseur Shack-Hartmann. On étudie en particulier l'estimateur centre de gravité pondéré, qui offre à la fois une bonne robustesse au bruit et de bonnes propriétés de linéarité. Cette dernière étude est utile aussi bien pour l'AO à large champ que pour l'AO à très haute performance

Improvement of Shack-Hartmann wave-front sensor measurement for extreme adaptive optics

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Analyse de front d'onde pour les optiques adaptatives de nouvelle génération (optiques adaptatives à large champ et optique adaptative extrême)

De nombreux facteurs restreignent l efficacité de l'analyse de front d onde des systèmes d optique adaptative (AO) actuels. Les plus importants sont le bruit de mesure et l anisoplanétisme, dont les effets conjugués limitent à quelques pourcents la couverture de ciel des instruments. Pour cette raison, les nouvelles générations d AOs ont pour objectif la très haute performance (impliquant entre autres une bonne robustesse au bruit ) et/ou l élargissement du champ corrigé. Dans ce dernier cas, il faut utiliser plusieurs directions d analyse. La problématique de l analyse de front d onde s articule alors autour de trois pôles : les étoiles guides dont on dispose, le concept d analyse de front d onde choisi et la qualité des mesures des senseurs de front d onde. L objectif de cette thèse est d étudier chacun de ces trois aspects. En premier lieu, une redéfinition de la notion de couverture de ciel est proposée pour les AO à large champ, permettant de prendre en compte la fraction du champ scientifique corrigé, le concept d analyse de front d onde utilisé et l objectif de performance de l instrument. Une étude comparative des concepts d analyse de front d onde Star Oriented et Layer Oriented est ensuite présentée, sur laquelle on s appuie pour proposer une optimisation de chaque concept. On montre ainsi qu une fois optimisés ils présentent tous deux des performances très proches. Enfin, on propose une étude comparative de plusieurs estimateurs de pente pour l analyseur Shack-Hartmann. On propose en particulier l estimateur centre de gravité pondéré, qui offre à la fois une bonne robustesse au bruit et de bonnes propriétés de linéarité.Several points restrict the efficiency of the wavefront analysis of actual adaptive optics (AO) systems. The mains ones are the measurement noise and the anisoplanatism. Together, they reduce to a few percents the sky coverage of the instruments assisted by AO. For this reason, rising generation of AO systems aims at the very high performance (implying in particular low measurement noise) and/or the widening of the corrected field. For these wide field AO systems, it is essential to use several directions of analysis. The wavefront analysis problem is then articulated around three items : the available guides stars, the considered wavefront sensing concept and quality of the wavefront sensors measurements. The purpose of this PhD thesis is to study each one of these three aspects. Hence a redefinition of the concept of sky coverage is proposed for wide field AO. The definition suggested here takes into account the number of guide stars and their magnitude, but also the fraction of the scientific field that is really covered, the considered wavefront sensing concept and the expected performance of the instrument. Concerning the wavefront sensing concepts, a comparative study of the Star Oriented and Layer Oriented concepts is presented and an optimization is proposed for each one, leading to very close performance. Finally, a comparison of different wavefront slope estimators is proposed for the Shack-Hartmann wavefront sensor. In particular, a weighted center of gravity estimator is studied, that offers a good robustness to noise and good properties of linearity. This last study is usefull as well for wide field AO as for very high performance AO.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Ground layer correction for very large telescopes: performance of multi-object wave-front sensing concepts.

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Optimization of star-oriented and layer-oriented wavefront sensing concepts for ground layer adaptive optics

International audienceMulticonjugate adaptive optics is one of the major challenges in adaptive optics. It requires the measurement of the volumic distribution of the turbulence. Two wavefront sensing (WFS) concepts have been proposed to perform the wavefront analysis for such systems: the star-oriented and layer-oriented approaches. We give a performance analysis and a comparison of these two concepts in the framework of the simplest of the multi-guide-star adaptive optics systems, that is, ground layer adaptive optics. A phase-related criterion is proposed to assess analytically the performance of both concepts. This study highlights the main advantages and drawbacks of each WFS concept and shows how it is possible to optimize the concepts with respect to the signal to noise ratio on the phase measurement. A comparison of their optimized versions is provided and shows that one can expect very similar performance with the two optimized concepts

Ground layer correction for very large telescopes: performance of multi-object wave-front sensing concepts.

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Ground layer correction for very large telescopes: performance of multi-object wave-front sensing concepts.

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