Etude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées ou discontinues. Applications en ...

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by  F. Hénault

Etude, alignement et contrôle de surfaces optiques
segmentées ou discontinues. Applications en Sciences de
l’Univers
F. Hénault
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F. Hénault. Etude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées ou discontinues. Applica-
tions en Sciences de l’Univers. Planète et Univers [physics]. Université Nice Sophia Antipolis, 2010.
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UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS

MEMOIRE

Présenté pour obtenir

le titre d’Habilitation à Diriger des Recherches
de l’Université de Nice-Sophia Antipolis
Discipline Sciences de l’Univers

Soutenu par

François HENAULT

Etude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées
ou discontinues. Applications en Sciences de l’Univers

Soutenu le 10 septembre 2010 devant la Commission d’examen

M. Roland BACON Centre de Recherche Astrophysique de Lyon Rapporteur
M. Gilles FLAMANT PROMES, Université de Perpignan Rapporteur
M. Thierry LEPINE Institut d’Optique Graduate School Examinateur
M. Denis MOURARD Observatoire de la Côte d’Azur Examinateur
M. François REYNAUD XLIM, Université de Limoges Président
M. Gérard ROUSSET Observatoire de Paris Rapporteur
M. Christian SINGER Thales Alenia Space Invité
M. Farrokh VAKILI Observatoire de la Côte d’Azur Examinateur

“Sachez que j’aurais préféré être un homme ordinaire plutôt qu’un titan,
mais on ne choisit pas son destin.”
Wolinski, La vie compliquée de Georges le tueur

Miroirs ardents d’Archimède, fresque de Giulio Parigi (1571-1635), Galerie des Offices, Florence

REMERCIEMENTS

Je souhaite tout d’abord remercier les personnels administratifs, techniques et scientifiques des
établissements publics ou privés où j’ai eu la chance de travailler: tous ceux et celles du four solaire
d’Odeillo, de la centrale hélioélectrique THEMIS, de l’Aérospatiale et d’Alcatel Space, de
l’Observatoire de Lyon et des unités de recherche Gemini et Fizeau de l’Observatoire de la Côte
d’Azur. Sans eux, ma carrière professionnelle aurait été à coup sûr bien fade et ennuyeuse. Mes
pensées vont également à ma famille et à mes anciens professeurs, notamment ceux de l’Ecole
Supérieure d’Optique. Ne pouvant hélas citer tous leurs noms dans cette page de remerciements, je me
vois contraint de rester ici extrêmement sélectif et injuste.

Je remercie donc par ordre d’entrée en scène quelques-uns des personnages ayant joué un rôle
considérable dans le déroulement de ma carrière. Tout d’abord Claude Royère, mon directeur de thèse
à l’IMP d’Odeillo, qui m’a réellement ouvert les portes du monde de la recherche, et Bruno Bonduelle
pour son accueil enthousiaste à la centrale THEMIS de Targasonne. Viennent ensuite Guy Cerutti-
Maori, qui m’embaucha en 1988 à l’Aérospatiale de Cannes, et Christian Singer, qui me mit le pied à
l’étrier sur l’intégration du satellite ISO: le réglage de ce télescope spatial et cryogénique de 60 cm
allait réellement me former au dur métier d’ingénieur opticien durant les cinq années qui suivirent.
Merci également à Marc Barillot, qui eut la lourde charge de reprendre les affaires Darwin et MAII
après mon départ d’Alcatel Space, et sut les mener au succès.

Ce fut ensuite le temps du retour à la recherche, grâce à Roland Bacon et Jean-Pierre Lemonnier qui
m’accueillirent chaleureusement à l’Observatoire de Lyon au début de l’année 2001, et n’hésitèrent
pas à me confier très tôt des responsabilités importantes, en particulier la conduite du projet MUSE,
spectro-imageur intégral de champ de la deuxième génération d’instruments du VLT. Merci également
et surtout à Florence Laurent, brillante étudiante en thèse dont j’ai dirigé le travail pendant trois ans,
acquérant ainsi l’expérience nécessaire pour conduire d’autres sujets de recherche théorique ou
appliquée. Merci enfin à Pierre Exertier et Denis Mourard pour m’avoir permis de retrouver les
domaines de la haute résolution angulaire et de l’interférométrie à frange noire à l’Observatoire de la
Côte d’Azur, et à Yves Rabbia et Farrokh Vakili qui me les avaient fait découvrir à l’époque de
l’Aérospatiale.

Je remercie sincèrement tous les membres de ce jury d’Habilitation à Diriger des Recherches pour
avoir consacré un peu de leur emploi du temps incroyablement surchargé à la lecture et à la critique de
ce mémoire. Quatre d’entre ont déjà été cités plus haut, mais il me reste à remercier chaleureusement
Gilles Flamant (Directeur du PROMES, Four solaire d’Odeillo), Thierry Lépine (Professeur à l’Institut
d’Optique Graduate School), François Reynaud (XLIM, Professeur de l’Université de Limoges) et
Gérard Rousset (Observatoire de Paris, Professeur de l’Université Paris VII), avec une mention
spéciale pour les trois rapporteurs aux remarques constructives (Gérard, Gilles et Roland). Chacune
des secondes qu’ils m’ont consacrées est précieuse.

Je remercie enfin Maître Zizaac et son assistant Bébert, dont l’aide pour venir à bout du chapitre 4 fut
déterminante. J’ai également une pensée pour l’ingénieur opticien inconnu que je regrette à présent
d’avoir occis au paragraphe 4.1 – mais il renaîtra probablement de ses cendres.

– 7 –

TABLE DES MATIERES

1. INTRODUCTION........................................................................................................................................9
2. LE FOUR SOLAIRE D’ODEILLO ET LA CENTRALE THEMIS.....................................................11
2.1 D’ARCHIMÈDE À FOUCAULT................................................................................................................11
2.2 12000 SOLEILS ET 800 LUNES..............................................................................................................14
2.3 LE THEOREME DE LA LIMITE CENTRALE...............................................................................................17
2.4 L’AVENIR DE L’ENERGIE SOLAIRE CONCENTREE...................................................................................20
3. RECHERCHE ET INDUSTRIE...............................................................................................................21
3.1 LE COPHASAGE DES TELESCOPES GEANTS............................................................................................21
3.2 DECOUPEURS D’IMAGE.........................................................................................................................25
3.2.1 Spectrographie intégrale de champ.................................................................................................25
3.2.2 Recherche et développements..........................................................................................................28
3.2.3 MUSE et super-MUSE....................................................................................................................30
3.3 INTERFEROMETRIE A FRANGE NOIRE....................................................................................................32
3.3.1 Un déphaseur achromatique pour Darwin et MAI2........................................................................32
3.3.2 Retour vers le nulling......................................................................................................................35
3.4 MISSIONS SPATIALES............................................................................................................................37
3.4.1 ISO..................................................................................................................................................37
3.4.2 IASI..................................................................................................................................................39
4. RECHERCHE, ENSEIGNEMENT ET ENCADREMENT...................................................................41
4.1 FORMER DES ETUDIANTS......................................................................................................................41
4.2 CONDUIRE DES PROJETS ET ENSEIGNER, QUEL RAPPORT ?....................................................................44
4.2.1 Etude de faisabilité..........................................................................................................................44
4.2.2 Phase de définition détaillée...........................................................................................................46
4.2.3 Assemblage, Intégration et Tests.....................................................................................................47
4.3 COSAC................................................................................................................................................47
5. CONCLUSION ET PERSPECTIVES D’AVENIR.................................................................................49
ABREVIATIONS................................................................................................................................................55
BIBLIOGRAPHIE..............................................................................................................................................57
LISTE DES ANNEXES......................................................................................................................................61
RESUME...........................................................................................................................................................167
ABSTRACT.......................................................................................................................................................168
– 8 –
– 9 –

“Je n’ai pas besoin d’espérer pour entreprendre, ni de réussir pour persévérer.”
Guillaume d’Orange

1. INTRODUCTION

La rédaction des dernières lignes de ce mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches constitue un
moment privilégié: c’est évidement l’aboutissement d’un rêve longtemps refoulé par la peur de la page
blanche et par celle de l’effort de synthèse à accomplir: comment résumer en effet une trajectoire aussi
peu conventionnelle, qui m’a amené de l’énergie solaire à l’astrophysique, de l’infrarouge thermique
et millimétrique au proche ultraviolet, de la spectrographie intégrale de champ aux interféromètres
chasseurs de planètes extrasolaires, et des études de faisabilité aux phases d’intégration et de recette
des instruments, tout en naviguant entre l’industrie et la recherche publique ? Absolument impossible.

Mais l’achat récent d’un livre de poche, “Voyage au cœur de la lumière” de Trinh Xuan Thuan dans la
collection Découvertes Gallimard, a peut-être marqué la sortie de l’impasse: sur la page 17 figurait en
effet la reproduction d’une fresque du XVIème siècle représentant les “miroirs ardents d’Archimède”
– celle-la même de la page d’ouverture. Le fil conducteur de ce mémoire serait donc le suivant: des
fours solaires géants aux télescopes extrêmement grands (que nous appellerons ELT par la suite) et
aux interféromètres spatiaux, il semble que ma carrière professionnelle gravite autour des surfaces
optiques segmentées ou discontinues, d’où le titre du mémoire. Quels que soient leurs buts (concentrer
de grandes quantités d’énergie ou former des images astronomiques de haute résolution) ou leurs
spécifications techniques (du millimètre au nanomètre), elles doivent toutes passer par les mêmes
phases de conception et de réalisation successives: dans un premier temps, il faut écrire les modèles
analytiques et numériques capables de prédire leurs performances en opération. Ensuite viennent les
phases d’études et de conception, et enfin celles de fabrication, d’assemblage, d’alignement et de test,
car la plupart des performances seront contrôlées à plusieurs occasions décisives. Que l’on travaille sur
une centrale hélioélectrique ou aux instruments embarqués à bord du JWST, il reste impératif
d’anticiper les différentes phases de développement et d’en minimiser les risques techniques et
programmatiques. Par la suite, le plan du mémoire allait s’avérer fort classique, et se présente donc
comme suit.

Le chapitre 2 est consacré aux jeunes années de doctorat, en quête de nouvelles méthodes permettant
d’améliorer l’efficacité de concentration du rayonnement solaire: bien qu’il existe plusieurs ordres de
grandeur entre les qualités de surface recherchées pour les miroirs d’Archimède et celles d’un
télescope utilisable par les astronomes contemporains, les méthodes de réglage et de contrôle restent
finalement basées sur des principes similaires.