Instrumentation optique

- Moyens et équipements -

L'optique sous vide

Spécialiste entre autre de la spectrométrie UV, les ingénieurs du LATMOS travaillent aux limites du spectre ultra-violet, à des longueurs d’ondes pouvant atteindre 30 nm ! Or, pour les longueurs d’ondes inférieures à 200 nm (cf. classification du spectre électromagnétique), l’atmosphère n’est plus assez transparent pour que la lumière se propage. Les ingénieurs doivent alors placer leurs expériences dans des enceintes sous vide, à des pressions de quelques 10-6 mbar.

Classification du spectre électromagnétique UV selon la norme ISO 21348

Pour satisfaire à ses besoins, le LATMOS a développé des moyens instrumentaux permettant d’effectuer des mesures optiques, sous vide, dans la gamme spectrale : 30 nm - 200 nm. L’ensemble du dispositif, placé en espace propre (iso7), permet de réaliser les étalonnages spectraux et radiométriques des instruments ainsi que de caractériser la réflectivité et la transmission de composants optiques (miroirs, réseaux de diffraction filtres, fenêtres).Cet équipement a permis notamment la qualification du modèle de vol de l’instrument PHEBUS embarqué sur la mission spatiale ESA-BepiColombo, ainsi que la caractérisation en réflectivité de matériaux et traitements optiques tels que le silicium, l’aluminium, le carbure de silicium, le platine, etc.

Banc d'optique sous vide développé au LATMOS

(a)

(b)

Spectre d’émission de l’Argon tel que détecté par le spectromètre PHEBUS / Bepi-Colombo lors des étalonnages au sol, dans la gamme spectrale [40 – 160 nm].
(a) Image
(b) spectre (Levels are in log10-scale)

Instrumentation optique

 « C’est la nuit qu’il est beau de croire à la lumière ! »

Edmond Rostand

La lumière est un formidable messager pour celui qui sait la faire parler. Il suffit de la faire interagir avec la matière pour qu’elle se manifeste et qu’elle nous raconte son histoire. Sans cela, elle reste invisible. Le LATMOS s’emploie depuis plusieurs décennies à exploiter et déchiffrer les secrets que la lumière nous véhicule, afin de :

 - comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant les atmosphères planétaires ;
 - étudier la formation des planètes et des petits corps du système solaire ;
 - analyser la physique de l’héliosphère.

Le LATMOS a hérité du Service d’Aéronomie les compétences et un savoir-faire reconnu dans les domaines aussi variés que la spectrométrie, l’interférométrie, l’imagerie et la télédétection active par Lidar. Pionnier de la conquête spatiale en France ainsi que dans l’étude de l’atmosphère, le laboratoire s’est particulièrement illustré dans l’instrumentation lidar et la spectrométrie UV et a su en tirer des bénéfices scientifiques majeurs au niveau international.

Laboratoire à très forte composante instrumentale, le LATMOS a fait de l’instrumentation optique l’un de ses cœurs de métier. Afin de répondre aux différents besoins scientifiques, le laboratoire développe, conçoit et réalise des instruments optiques déployés soit depuis le sol, soit depuis des ballons, des avions ou des satellites.

Intégré au département technique du laboratoire, le service optique compte aujourd’hui cinq ingénieurs opticiens et instrumentalistes aux compétences complémentaires et dispose d’un ensemble conséquent de moyens de mesures et d’étalonnages dédiés à la spectrométrie, l’interférométrie et l’instrumentation lidar.

Instrumentation optique

- Missions et expertise -

MISSIONS

• Répondre aux besoins scientifiques émergents

La mission du service optique est de répondre aux besoins scientifiques émergents du laboratoire par la conception, la réalisation, l’intégration et la qualification de systèmes optiques innovants. Le service optique assure également le suivi et la mise à jour des instruments déployés sur plusieurs sites géophysiques à travers le monde, afin de garantir leur fonctionnement quasi quotidien.

• Acteur de l’innovation – Recherche & Développement

La préparation des futurs projets s’accompagne presque systématiquement d’une recherche prospective permettant de réaliser des avancées technologiques ou d’améliorer la maturité des technologies existantes. Porté par cette volonté d’innovation, le service optique s’implique dans les activités de « Recherche et Technologie » proposées par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) ainsi que lors des appels à projet de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).

• Veille technologique

En complément des différents projets spatiaux et sols sur lesquels il est impliqué, le service optique assure une veille technologique active en ce qui concerne les nouvelles techniques et les composants optoélectroniques les plus récents disponibles sur le marché. Cette veille technologique s’alimente grâce à une très bonne connaissance du tissu industriel des fournisseurs et des fabricants de composants optoélectroniques, ainsi que par un état de l’art régulier de l’environnement scientifique et technique.

• Capitalisation sur les connaissances et héritage technique

Soucieux d’assurer la pérennité des actions et du capital-mémoire pour pallier la perte du savoir acquis, le service optique accorde une grande place à la transmission de son héritage technique et à la pérennisation du savoir faire.

" Le savoir est la seule matière qui s'accroît quand on la partage."

                                                                                                                             Socrate

SAVOIR-FAIRE ET EXPERTISE TECHNIQUE

Pour mener à bien ces missions, le service optique dispose d’un savoir-faire qui couvre un large panel de compétences :

• le management de projet ;
• la conception, le dimensionnement et le tolérancement optique ;
• la mise en place d’outils de simulations et de performances ;
• la réalisation, l’intégration et la caractérisation de systèmes optiques ;
• la gestion et le pilotage des phases d’AIT (Assemblage Intégration et Tests) ;
• la définition et la conception des bancs de tests ;
• la mise en œuvre des différents moyens d’essais.

 
Calcul optique

Grâce à une équipe d’ingénieurs hautement qualifiés dans le calcul et la conception optique, le service optique du LATMOS est capable de fournir les meilleures solutions aux projets les plus ambitieux. Grâce à des outils logiciels adaptés comme Zemax™ (dimensionnement et tolérancement optique) et Matlab (simulations physiques, calculs de performances), les ingénieurs conçoivent des systèmes optiques adaptés aux différents besoins scientifiques.

Conception optomécanique

En fonction de l’environnement dans lequel le système optique sera utilisé (satellite, avion, station sol), et des performances attendues, les ingénieurs du service optique rédigent le cahier des charges optomécanique afin de fournir au bureau d’étude mécanique les spécifications d’ensemble et de sous-ensembles en terme de :

• maintien des éléments optiques ;
• règles d’assemblage ;
• précisions et tolérancement ;
• caractéristiques et comportements mécanique et thermique des matériaux.

Les ingénieurs réalisent également la mise en plan des éléments optiques (lentilles, miroirs) suivant la norme 10 110 et travaillent avec le logiciel CATIA V5 pour la conception des pièces mécaniques de maintien.

Assemblage/Intégration - Validation/Etalonnages

Les ingénieurs du service optique sont en mesure d’intégrer des systèmes optomécaniques complexes destinés à des applications terrestres ou spatiales. Grâce aux installations de la Plateforme Intégration et Tests (PIT) de l’OVSQ, disponibles sur site, les équipes disposent notamment de 150 m² de salles blanches (ISO 5 et ISO 7) elles-mêmes équipées des derniers équipements de pointe en termes de contrôles et de mesures tridimensionnels, bancs optiques et stockage de composants. Les phases d’étalonnages et de validation des performances sont des étapes fondamentales lors de la réalisation d’un instrument optique. Les étalonnages permettent d’évaluer la réponse de l’instrument en termes de fonction de transfert ; ils apportent une signification physique aux mesures fournies par celui-ci et valident les performances prédites par la modélisation.

Intégration du miroir d'entrée de l'instrument PHEBUS

Etalonnage du modèle de vol du spectromètre PHEBUS