INTRODUCTION

J’ai le plaisir d’inaugurer cette troisième conférence ICSO’97 consacrée à l’optique spatiale Les techniques évoluent très vite; l’optique et l’optoelectronique n’échappent pas à cene régie. Depuis Garmisch. en 1994, bien des événements concernant ces domaines se sont produits, Je rappellerai les faits ies plus saillants dans la première partie de mon exposé Je donnerai ensuite un aperçu des activités en cours au Cnes et je terminerai en partant du futur quelles sont ies technologies émergentes et quels projets peuvent en découler ?

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UNE ACTIVITE IMPORTANTE CES DERNIERES ANNEES

Plusieurs satellites et le ballon stratosphérique emportant l’expérience Pronaos, ont été lances depuis 1994, date de ma dernière présentation au colloque ICSO. Pour tous ces projets, le, Cnes, la recherche et l’industrie française ont été largement impliqués avec des responsabilités diverses Je vais d’abord rappeler quelques résultats marquants qtîi ont été obtenus, en vol. par ces instruments.

Les sciences d’abord, et l’exploration de l’univers froid grâce au ballon stratosphérique Pronaos [1],[17], qui a été lancé avec succès le 22 septembre 96 depuis Fort Sumner aux USA Pendant 29 heures, 50 régions du ciel ont été observées. Les résultats sont très innovants pour la première fois, on a pu mettre en évidence à deux reprises, la partie positive de l’effet Sunaiev-Zeldovitch déformation de la fonction de distribution spectrale du corp noir correspondant a léspace froid vers 2.7 °K. Sur A478 et A2163, un excès de lumière a été constaté sur les canaux de plus grande longueur d’onde Ce supplément de lumière est interprète comme une émission par les “poussières” constitutives de cette matière interstellaire. Ceci permettra d’améliorer nos connaissances sur la constante cosmologique de Hubble et l’âge de l’univers Une communication sera faite prochainement sur cette question, dans un • colloque spécialise

Pronaos a mis en évidence une concentration de matière a 12 °K dans des nuages moléculaires dans ies régions de Rho-Ophucius et Ml 7 On a pu déterminer, en outre, que la masse de ces “grains” de matière est comprise entre 1 et 40 masses solaires

Pronaos est d’une grande aide pour la préparation des missions First et Plank-Surveyor de l’ASE, Il complète aussi ISO grâce à l’extension du domaine spectral (Des mêmes zones ont été observées dans des domaines spectraux infrarouges très différents)

Concernant l’instrument, on peut ajouter qu’on a estimé la qualité image en visant une planète (bon rapport signal à bruit et l’objet peut être considère comme ponctuel). La déformation de la surface d’onde a été estimée à 33 microns RMS. ce qui est meilleur que la spécification (40 microns). La résolution spatiale mesurée en vol est de l’ordre de 3’ d’arc, La résolution radiometrique est de 0^–15 watt environ Concernant l’ensemble nacelle [A4], les performances de pointage sont excellentes aussi (20″ à 50″ en stabilité de pointage sur une observation, alors que le besoin était de 60″) Le ballon a atteint son plafond à 37.8 km le premier jour et 38.7 le second. Vol réussi, donc

Les expériences Alice 1 et 2, [2] (Analyse des Liquides Critiques dans l’Espace) embarquées sur MIR à l’occasion des vols habites Franco-Russe Amares (en 94) et Cassiopee (Août 96) ont donne d’excellents résultats scientifiques Alice consiste a étudier les fluides dans une grande dynamique de transitions de phases et autour du point critique L’instrumentation optique est indispensable pour 1’ observation détaillée de la croissance des objets en microscopie et avec des cameras (une bonne résolution spatiale est exigée) On mesure aussi la transmission, les changements d’indice de refraction avec un interférometre de type Michelson, la diffusion d’un faisceau laser, détectée par un photomètre (le fluide a un comportement particulier en diffusion près du point critique) et les défauts d’homogeneite grâce à une technique d’ombroscopie réalisée par une camera et une grille. L’ensemble optique a été conçu et realise par la société Cerco, sous maîtrise d’oeuvre du Cnes, pour le premier vol et de l’Aérospatiale (Saint Medard en Jalles), pour le second

On peut dire que les résultats de mesure sont excellents et que d’autres utilisateurs étrangers, russes et allemands exploitent l’appareil. Le premier modele (Alice 1) est à Moscou à l’Institut de Recherche des Problèmes Mécaniques Le second, reste à bord de MIR, sert régulièrement aux différentes equipes étrangères et sera reutilise pour le vol franco-russe. Pegase (98)

Le troisième fait marquant en instrumentation optique revient à Polder, expérience d’observation de la Terre, dans le visible et proche infrarouge en lumiere naturelle et polarisée Le projet, realise en maîtrise d’oeuvre interne au Cnes, avec le concours industriel efficace pour la réalisation d’équipements, consiste a mesurer l’indicatrice de diffusion de scènes terrestres dans 6 bandes spectrales étroites non polarisées (largeurs spectrales de 10 nm, 20 nm et 40nm) et 3 bandes polarisées (20 nm et 40nm) L’ instrument, un radiometre multispectral à tres grand champ (114°), a été embarque sur le satellite Japonais Adeos I qui a ete lance en août 96 Les résultats obtenus sont excellents (jusqu’à la perte du satellite en juin 97) Il est prévu de renouveler cette expérience (Polder II) sur une autre plate-forme Adeos, avec les Japonais, l’année prochaine

Pour l’instrumentation optique, on ne citera que 1’ exemple original de l’étalonnage de la lumière parasite. Des mesures effectuées sur les différents modeles de l’instrument ont montre que que les niveaux de lumière parasite, bien que tres faibles, étaient incompatibles avec les spécifications radiometriques (ces flux pouvaient même dépasser de 20 a 50 fois les valeurs maximum tolerables) Le problème a ete aborde, d’une part, par le biais de la simulation pour comprendre les phénomènes et révéler d’éventuelles erreurs conceptuelles, d’autre part, par mise au point d’une procédure d’étalonnage et de correction au sol des images. La méthode repose sur une deconvolution de l’image pour s’affranchir des défauts dus à la reflexion de la lumière parasite sur la mosaïque ccd et à une soustraction d’un fond continu proportionnel au niveau d’eclairement de l’image Cette dernière opération permet de corriger les multireflexjons et les diffusions dans l’objectif Cette méthode originale a ete présentée au colloque [3] d’observation de la Terre a Londres en Septembre dernier

Pour le futur. 11 sera donc important de bien comprendre ces phénomènes de lumiere parasite (réflexions, diffusions par les surfaces, les arêtes de baffles, le détecteur.) dont on parle de plus en plus car les exigences radiometriques deviennent plus sévères et les missions plus ambitieuses Des approches théoriques (modélisations d’ensemble), experimentales [13],[15],[16], (indicatrices de diffusion, approche de la mesure au niveau instrument complet) et technologiques (recherche de matériaux, de nouveaux revêtements.), sont actuellement entreprises dans le cadre des études de Recherche et Développement pour le compte des nouveaux instruments d’observation de la Terre, d’astronomie et pour d’autres capteurs (senseurs, télécommunications optiques) Un bon exemple arrive maintenant. Il s’agit du photomètre pour l’observation des étoiles, (projet Corot) qui impose un taux de lumière parasite extrêmement bas On tolere au maximum, un photon par pixel et par seconde de façon à ce que les variations du signal en provenance de l’étoile observée, ne soient dues qu’a l’étoile elle-même (sismologie stellaire) Le choix du concept optique reviendra en fin de compte à l’instrument qui présentera les meilleures performances en lumière parasite.

Signalons enfin le satellite Helios I, lance en Juillet 95 qui conforte la place mondiale de la France dans le domaine de l’observation et du renseignement

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LES PROJETS EN COURS AU CNES

Quels sont les instruments optiques en développement dans l’industrie, sous maîtrise d’ouvrage du Cnes dans les domaines de l’observation de la Terre, de la science, de la meteo et delà climatologie?

En premier lieu, en continuité avec les satellites Spot 1 a III, Spot IV, (sous maîtrise d oeuvre de la société M M.S) sera lance au mois de mars 98 L’instrument apportera quelques nouveautés. d’abord, une nouvelle bande spectrale en moyen infrarouae (1 58 à 175 microns) au foyer de l’instrument HRVIR Le détecteur sera constitue par l’aboùtase de dix barrettes de .00 éléments photosensibles GalnAs de 26 microns de côte, le long d’une ligne de 78 mm de long. Ces barrettes seront couplées avec des registres CCD dans un boîtier spécial, conçu pour garantir une bonne géométrie d’image (planéité, positionnement précis le long d’une ligne) Notons enfin, une amélioration notoire de Spot IV avec l’emport d’un instrument multispectral (4 canaux), de très bonne radiométrie et a très grand champ (101°) pour la surveillance de la végétation [4]. Cette caméra, appelée “Végétation”, développée par la société Aérospatiale sous maîtrise d’ouvrage Cnes, sera un complément très utile des instruments HRVIR pour 1 observation des cultures, de l’étude de la biomasse, grâce à sa très bonne radiométrie.

Une autre originalité de Spot IV, concerne une liaison télécommunication optique a haut débit” (50Mb.t/s), Silex [5], dont les premières études de faisabilité ont démarré au Cnes des 1982 et qui a ete développée par l’Agence Spatiale Européenne. Un des deux terminaux de la liaison sera embarque sur Spot IV II s’agit dune “première” dans le domaine de linstrumentation optique car, pour la première fois en Europe, on mettra en oeuvre un système complexe de lasers pointes et asservis en position avec une précision extrême (de l’ordre du microradian) La démonstration télécommunication ne sera malheureusement pas possible dans l’immédiat, car le deuxième terminai (sur satellite aeostationnaire) ne sera pas encore disponible On se contentera donc, dans un premier temps, d’essais de bon fonctionnement incluant une première évaluation de la stabilite de pointage sur une étoile, La maîtrise d’oeuvre de Silex a ete confiée à MMS

Dans le domaine de la météorologie et des sciences de l’environnement, citons le projet IASI (Infrared atmospheric sounding interferometer). L’étude de phase Β sous responsabilité du Cnes se termine actuellement et un transfert de responsabilités s’opère vers un futur maître d oeuvre (Aérospatiale Cannes) pour la réalisation et essais des divers modèles Un intense travail de conception détaillée accompli par le Cnes et les équipes industrielles, s’est fait pendant ces dernières années Des développements d’équipements reputes difficiles ont ete couronnes de succès. Donnons quelques exemples concernant le sous-systeme optique les coins de cube [12] en S.C très légers et de bonne qualité optique, la référence laser stabilise enfrequencepo]. les optiques froides [14] (filtres et microlentilles).

L’instrument, un spectrometre par transformée de Four.er, annonce un progrès significatif dans le domaine du sondage atmosphérique et permettra la mesure précise de profils” verticaux de températures (a 1°K) et de la concentration de vapeur d’eau avec une excellente résolution spatiale (1km en vertical et 50 km en surface). Cet instrument sera embarque sur le satellite Metop de l’ ASE Actuellement, le Cnes réalise une maquette [6] qui permet de valider les performances fonctionnelles de l’instrument Pour étalonner cette maquette de laboratoire, des mesures sur l’atmosphère ont été réalisées récemment et comparées avec celles effectuées par des ballons sondes de la Météorologie Nationale, sur les mêmes zones et aux mêmes instants. La comparaison des résultats est très satisfaisante “elle permet, d’une part, de vérifier la bonne tenue des performances (résolutions spectrale et radiometrique.) et, d’autre part, de s’assurer qu’il n’y a ni oubli ni surspécification

Parlons maintenant de révolution des instruments optiques qui seront embarqués sur le futur satellite Spot V La décision d’améliorer la résolution spatiale à 5 m (les satellites Spot I à Spot IV avaient une resolution de 10 m au sol) conduit à modifier considérablement l’instrument KRV Les barrettes de 12.000 détecteurs CCD au pas de 6,5 micron ont remplace tes 4 barrettes de 1500 points au pas de 13 micron. Le pas d’échantillonnage au sol pourrait être ainsi de 5 m mais une autre amélioration a consisté à adjoindre une lime CCD identique, sur le même substrat, parallèle à la première et décalée de l’équivalent de quelques lignes dans le sens de l’avance du satellite et d’un demi pixel dans la direction perpendiculaire le pas d’échantillonnage réel, dans deux directions perpendiculaires (à 45″ de la trace), est donc de l’ordre de 3.5 m Pour la cohérence de la chaîne image, il faut que la fonction de transfert de l’instrument soit exploitable jusqu’à une fréquence spatiale correspondant à 5 m au sol dans la direction de la trace du satellite. Ceci a nécessité une autre série d’améliorations; polissage poussé des optiques (lambda/20 rms) avec retouches PAO (polissage assisté par ordinateur qui correspond à une étape ultime du polissage), procédures de réglages et d’intégration très améliorées mettant en oeuvre des techniques interférométriques, positionnements ultra-precis des lentilles et miroirs Pour cela, de nouveaux dispositifs de fixation des miroirs, permettant de filtrer les contraintes mécaniques et thermiques ont ete mis au point Le collage de ces dispositifs sur le miroir est très critique Les précisions de positionnement sont très sévères Des progrès ont donc ete realises dans ce domaine. D’autres améliorations, comme par exemple, les mécanismes (précision augmentée de la ligne de visée), ont demandé de gros efforts L’instrument HRG, est donc très différent de son aîné HRVIR, grâce a ses améliorations substantielles. On avait même envisagé de remplacer le zérodur (qui est le substrat des miroirs) par du SiC, matériau plus performant (gain de masse), pour le miroir plan de balayage, situé à l’avant de l’appareil Les impératifs du planning n om pas permis de réaliser ce changement D’autres projets auront, de toute évidence, la possibilité d’utiliser ce matériau mais après encore certaines validations d’ordre technologique

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LE FUTUR DE L’INSTRUMENTATION OPTIQUE

On assiste depuis quelques années aux annonces de nouveaux satellites d’observation de la Terre avec des resolutions spatiales de plus en plus élevées (Inde, Japon, Etats-Unis) De même, certains grands groupes industriels veulent aussi prendre une place importante dans ce qui pourrait devenir un marche, l’imagerie à haute resolution

Les contraintes budgétaires, la nécessite de raccourcir ies délais, la concurrence étrangère de plus en plus rude, obligent le concepteur a proposer des instruments optimisés au plus juste ‘ il faut foire le “plus petit possible”, réduire les masses, les délais de fabrication, d’intégration, revoir la politique de développement (la précision des modèles numériques et des simulations permettra, peut-être, d’éviter ou de simplifier la réalisation de certaines maquettes fonctionnelle, mécanique, électrique,.). spécialiser les instruments au plus juste de la fonction demandée (par exemple, si on a besoin d’un radiometre. il sera, peut-être, inutile d’être trop exigeant en résolution spatiale qui coûte cher en diamètre d’optique Réciproquement, un bon imageur ne demande pas forcement de bonnes caractéristiques spectrales)

Apres une étude de dimensionnement eî d’optimisation des sous-systemes (choix de la focale, optimisation de la combinaison optique, choix du détecteur), le Cnes a démarré le maquettage d’un télescope à trois miroirs anastigmat [7] L’objectif est de démontrer la faisabilité du polissage de miroirs fortement aspherises, de prouver que des instruments de plus petites dimensions peuvent permettre une haute résolution spatiale (18 cm de pupille sans occultation centrale et résolution au sol de 3 m environ) et de maîtriser la procédure d’intégration d’un tel télescope, à l’aide de contrôles interférométriques Le succès de ces opérations permettra d’optimiser le dimensionnement des grands instruments (applications civiles et militaires) et des satellites. Ce sera peut-être le prochain défi dont on parlera au prochain colloque

Pour réussir ces paris, il faut bien maîtriser les technologies critiques. Mentionnons en quelques unes ‘ le polissage ionique et assiste par ordinateur qui permet d’obtenir des profils fortement aspherises ou encore de réduire les défauts de surface (la dizaine de nanometres rms a ete obtenue rapidement sur des miroirs très ouverts), les nouveaux matériaux (SiC) pour les miroirs qui laissent espérer des gains de masse très significatifs et grâce à de nouvelles techniques, les grands miroirs (de diamètre égal ou supérieur au mètre) deviendront faisables Les dispositifs de fixation des miroirs deviennent plus simples et leur intégration sur les barillets, plus aisée donc plus rapide Pour les structures, d’autres matériaux commencent à être sérieusement envisages pour une performance en stabilité fortement accrue En parallèle, l’étude de structures “actives” comportant capteurs (13) et actuateurs pourrait conduire à de nouveaux concepts instrumentaux qui seraient moins contraignants en rigidité et en contrôle thermique. D’autre part, ces nouvelles structures actives laissent espérer une économie en moyens d’intégration et de mesure. Par contre «s nouveaux systèmes sont complexes et leur fiabilité n’est pas encore démontrée; il faut les étudier de manière approfondie

D’autres domaines technologiques sont explores (lumière parasite, nouveaux détecteurs, filtres étroits.). Nous n’en parlerons pas, cela tous amènerait trop loin

Je voudrais maintenant parler d’une nouvelle technique instrumentale qui est amenée a se développer rapidement car les applications spatiales pointent de toutes parts et aussi parce que le composant de base (laser a semi-conducteur), poursuit une “brillante carrière” dans les secteurs civil et militaire (télécommunications optiques, vidéo, télécopie,) Le Cnes a organisé récemment un journée d’étude consacrée aux applications spatiales des lasers[8]. Parmi les nombreuses applications qui ont été présentées, je voudrais en sélectionner trois

En premier lieu, les télécommunications optiques [5] à très hauts débits (plusieurs Gbits/s) entre satellites (orbite basse ou geostationnaire) donnent lieu actuellement a une intense activité industrielle, particulièrement dans le cadre des constellations de satellites en orbite basse et pour les liaisons entre satellites géostationnaires Les données transmises sont ies messages des services radiotélephoniques et multimédia en tout point du globe. Le succès du réseau Internet et de ses applications grandissantes montrent tout l’intérêt qu’y portent les utilisateurs Cela motive le développement de grands svstemes tels que Teledesic ou Celestri, Le Cnes, qui a participe au projet Silex (une équipe intégrée Êsa/Cnes était installée dans les locaux du Cnes), devra étudier ce nouveau type de liaisons, défricher les technologies, analyser des solutions alternatives et suggérer des partenariats entre industriels

Un mot maintenant, pour ce qui pourrait devenir rapidement un futur projet spatial nécessitant des lasers de hautes performances (finesse de raie, stabilité, puissance L’expérience Pharao [9] est une horloge a atomes froids en micropesanteur, embarquabie sur satellite, et nécessitant un ensemble de lasers pour le refroidissement et la détection. Cette horloge travaille sur une transition hyperfine vers 9 192 GHz de l’atome de césium et permet une très haute stabilité de fréquence a long terme 0^–1 τ^–2 soit 0^–16 sur un jour. En outre, cette horloge permettra la distribution d’une échelle de temps ultra stable sur une couverture mondiale. On espère une exactitude de 10 a 30 ps. utile pour une nouvelle génération de svstemes de positionnement et de navigation D’autres applications scientifiques sont prévues, tels des tests de validité de la théorie de la relativité genérale. Pour cette application, un laser a très fine largeur de raie (100 kHz), de forte puissance (de l’ordre de 100 mW), est requis pour le sondage d’une raie atomique du Césium (vers 852.12 nm) Le refroidissement est obtenu par freinage de la vitesse de cet atome. Place entre deux faisceaux se propageant en sens contraire, l’atome subit deux pressions de radiation qui ne s’équilibrent que lorsque l’atome est au repos. Le desequilibre de pression est dû à la différence de fréquence des deux faisceaux laser vus par l’atome en mouvement (effet Doppler). Pour piéger l’atome a partir de vitesses d’agitation thermique relativement importantes et l’amener à la vitesse nulle, le laser doit être accordable sur plusieurs centaines MHz Cela nécessitera donc des études et développements spécifiques pour faire fonctionner en orbite, pendant plusieurs années de tels svstemes lasers

L’horloge, embarquée sur satellite, beneficie de l’apesanteur Les phénomènes d’interaction lumiere-matiere peuvent être considérablement plus longs qu’ au sol et la précision est largement améliorée (un facteur 100), grâce a des temps d’observation plus longs. Le Cnes conduit des travaux pour spatialiser l’horloge (effort de réduction de masse, de consommation de vérification du bon fonctionnement en environnement hostile pendant plusieurs années) en coopération avec des laboratoires scientifiques français Des expériences ont ete déjà tentées et réussies vols en microgravite sur avion (vols “paraboliques”) d’une fontaine atomique, prototypes de laboratoire d’une horloge La préparation d’une mission spatiale est en cours

Le troisième exemple que j’ai choisi, concerne les applications des lasers semi-conducteurs a la métrologie bord Grâce aux progres accomplis par ces lasers (brillance, puissance, finesse de raie), leur fiabilité et leur rendement, on envisage de les utiliser pour la métrologie des longueurs, des vitesses et des déplacements à bord du satellite Je vais reprendre l’exemple de rinterféromèîre IASI qui déplace un miroir sur 2 cm pour obtenir un interférogramme. Il est indispensable que le mouvement de ce miroir soit bien connu, avec une excellente précision, et ce. pendant toute la durée de vie qui est de plusieurs années La fréquence de la lumière émise par un laser DFB que l’on stabilise en fréquence (a à long terme) sur une raie d’absorption moléculaire, devient une excellente reférence de longueur De plus, sa bonne fiabilité, son faible encombrement et sa faible consommation en font un “produit” spatial d’avenir

On pense aussi utiliser ces lasers pour la mesure, au sol et en orbite, de défauts, tels des microdeplacements de miroirs et d’autres composants optiques Ainsi, on corrigera certains défauts des instruments optiques (grands interferometres. imageurs a tres haute resolution spatiale) par la simple mesure du déplacement défectueux et la remise en place de ces éléments optiques Le gyrometre a fibre optique est un autre équipement spatialisable, entièrement statique et qui permettra de mesurer des vitesses angulaires avec précision.

Je ne parlerai pas des lidars de sondage de l’atmosphère, bien que la mesure de la vitesse des vents soit un besoin exprime avec insistance et constance depuis plus d’une décennie deja Jusqu’à présent on ne disposait pas des sources laser suffisantes (énergie lumineuse et finesse spectrale) La situation va peut-être changer grâce a l’arrivée de lasers semi-conducteurs de forte énergie pour pomper d’autres lasers solides (YAG. YLF, ions terres rares) et aussi grâce a de nouvelles méthodes de détection qui semblent prometteuses. Des progres importants restent a réaliser dans ces domaines

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CONCLUSION

L’optique (et bien sûr toutes les autres techniques associées) a demontre qu’elle était devenue une technique majeure et incontournable Nombre de satellites comportent des équipements, des instruments qui font désormais appel a l’optique et a l’optoélectronique De grands progres ont ete accomplis aussi bien dans les composants et technologies que dans les instruments et les systèmes De nouvelles missions ambitieuses et variées arrivent. Il faut choisir Pour cela, le Cnes doit travailler avec la plus grande ouvetture possible auprès des partenaires industriels et scientifiques et chercher les meilleurs compromis, objectifs scientifiques-complexité instrumentale. D’autre part, devant la complexité des technologies évoluées (exemple détecteurs CCD ou laser semi-conducteurs), le secteur spatial n’a plus les movens de supporter seul des développements pour de nouveaux composants Plus que jamais, il faudra coordonner ses efforts avec ceux d’autres organismes et industriels Les enjeux sont importants, les défis passionnants et je suis persuade que votre communauté saura rester mobilisée et organisée devant ces grands problèmes