The International Liquid Mirror Telescope: optical testing and alignment using a Nijboer-Zernike aberration retrieval approach

In this thesis, we approach several aspects of the International Liquid Mirror Telescope (ILMT). Inparticular, we are interested in the optical disturbances that affect the quality of this type of telescope aswell as the the means of measuring it.First of all, the deformations of the mirror surface due to various phenomena are studied in detail.Then, several aberration measurement methods are studied. We show that a new approach, based onthe theory of Nijboer-Zernike (NZ), is very promising. This technique is thus developed and adapted inorder to be appropriate for our particular needs (related to the ILMT). Using numerical simulations, westudy this method and its limitations. The aberrations are measured very precisely with this method,even when the images are strongly disturbed by noise. As far as the number of measurable aberrations isconcerned, it mainly depends on the number of PSF rings that are usable for measurement. It arises thatin most of the cases, the low order aberrations (the 36 first Zernike coefficients) can be retrieved with anaccuracy better than /100.Finally, several applications related to the ILMT are considered. We develop an alignment methodfor the camera and its corrector with respect to the liquid mirror. This one is based on a map system(numerical model) of the aberration variations as a function of the camera misalignment. Simulationsshow that this method is accurate and reliable as long as at least two orthogonal aberrations can beaccurately measured, which is made possible with the NZ method.We also illustrate how to measure lens aberrations in laboratory and investigate the possibility tovalidate the corrector lenses in this way. We also show how to use the NZ method to test the quality ofparabolic mirrors, without any auxiliary optics (null lenses), with a small variation of the method. Thisshould allow to measure the liquid mirror surface./Dans cette thèse, nous abordons plusieurs aspects du Télescope à Miroir Liquide International(ILMT). En particulier, nous nous intéressons aux perturbations qui affectent la qualité optiquede ce type de télescope ainsi qu’aux moyens de les mesurer.Tout d’abord, les déformations de la surface du miroir dues à différents phénomènes sontétudiées en détail de manière théorique.Ensuite, plusieurs méthodes de mesure des aberrations optiques sont étudiées. Nous montronsqu’une nouvelle approche, basée sur la théorie de Nijboer-Zernike (NZ), est très prometteuse.Cette technique est donc développée et adaptée de manière à convenir à nos besoins particuliers(liés à l’ILMT). A l’aide de simulations numériques, nous étudions cette méthode ainsi que seslimitations. Les aberrations sont mesurées très précisément grâce à cette méthode, même lorsqueles images sont fortement bruitées. Le nombre d’aberrations mesurables, quant à lui, dépendprincipalement du nombre d’anneaux de la PSF qui sont utilisables pour la mesure. Il ressort quedans la majorité des cas, les aberrations de bas ordres (les 36 premiers coefficients de Zernike)peuvent être retrouvées avec une précision meilleure que /100.Enfin, plusieurs applications en relation avec l’ILMT sont envisagées. Nous développons uneméthode d’alignement pour la caméra et son correcteur par rapport au miroir liquide. Celle-ciest basée sur un système de cartographie (modèle numérique) de la variation des aberrationsen fonction du désalignement de la caméra. Les simulations montrent que cette méthode estprécise et fiable pour autant qu’au moins deux aberrations orthogonales puissent être mesuréesavec précision, ce qui est réalisable grâce à la méthode NZ.Nous illustrons également le moyen de mesurer les aberrations dans les lentilles et nous étudionsla possibilité de valider les lentilles du correcteur de cette manière. Nous montrons aussi commentutiliser la méthode NZ pour tester la qualité de miroirs paraboliques, sans optiques auxiliaires(lentilles d’Offner), au moyen d’une légère adaptation. Ceci devrait permettre de mesurer lasurface du miroir liquide

The 4m international liquid mirror telescope (ILMT)

The entire funding has recently been obtained in Belgium for the construction of a 4m Liquid Mirror Telescope. Its prime focus will be equipped with a semi-conventional glass corrector allowing to correct for the TDI effect and a thinned, high quantum efficiency, 4K × 4K pixel equivalent CCD camera. It will be capable of subarcsecond imaging in the i'(760 nm) and possibly r', g' band(s) over a field of ~ 30' in diameter. This facility will be entirely dedicated to a deep photometric and astrometric variability survey over a period of ~ 5 years. In this paper, the working principle of liquid mirror telescopes is first recalled, along with the advantages and disadvantages of the latter over classical telescopes. Several science cases are described. For a good access to one of the galactic poles, the best image quality sites for the ILMT are located either in Northern Chile (latitude near -29°30') or in North-East India (Nainital Hills, latitude near +29°30'). At those geographic latitudes, a deep (i' = 22.5 mag.) survey will approximately cover 90 square degrees at high galactic latitude, which is very useful for gravitational lensing studies as well as for the identification of various classes of interesting galactic and extragalactic objects (cf. microlensed stars, supernovae, clusters, etc.). A description of the telescope, its instrumentation and the handling of the data is also presented