Soutenance de thèse de Kelly JOAQUINA

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
détecteur,grand-champ,aurores,imagerie,astrophysique,courbe,
Keywords
sensors,wide-field,astrophysics,imaging,curved,aurora,
Titre de thèse
Caméra à capteur courbe pour l'imagerie en ultraviolet des Aurores polaires depuis l'espace
Curved Sensors for Ultraviolet Aurora Monitoring from Space
Date
Mardi 14 Décembre 2021 à 14:00
Adresse
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille 38, rue Frédéric Joliot-Curie 13013 Marseille
Amphithéâtre
Jury
Directeur de these M. Emmanuel HUGOT Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Rapporteur M. Mathieu BARTHELEMY Université Grenoble Alpes
Rapporteur M. Manuel FENDLER CEA-Tech
Examinateur Mme Melanie HEIL ESOC
Examinateur Mme Elizabeth GEORGE ESO
Examinateur M. Philippe AMRAM Laboratoire d'Astrophysique de Marseille

Résumé de la thèse

Les systèmes d’imagerie focalisent la lumière sur des capteurs plans en raison des contraintes de fabrication en photolithographie. Dans la nature, la plupart des systèmes de vision sont dotés de surfaces photosensibles courbes, comme les rétines des yeux humains, résultants de milliers d'années d'évolution. En réduisant les aberrations, les surfaces focales courbes simplifient les systèmes optiques et réduisent la masse, le volume et le coût global d'un instrument. Depuis environ deux décennies, les avantages apportés par l’utilisation de surface focale courbe ont été quantifiés pour plusieurs applications. Ces applications ont notamment permis d'évaluer l'apport dans des systèmes optiques des capteurs d'imagerie infrarouges et visibles courbes. Des formes sphériques, cylindriques et toroïdales ont été réalisées en laboratoire. Au cours de cette thèse, a été étudié pour la première fois l’avantage d’inclure une surface focale courbe dans un système refractif pour l’observation d'aurore boréale dans l'ultraviolet (UV), avec un système grand champ. La principale contrainte des systèmes d'imagerie UV est le manque de matériaux ayant une haute transmissivité dans cette bande spectrale. Habituellement les imageurs utilisant des miroirs sont privilégiés pour les observations UV. Cependant ces systèmes sont limités à un petit champ d'observation et une faible ouverture. Ces limitations peuvent être levée en utilisant des surfaces focales courbes. Un système optique réfractif permet d’obtenir un large champ de vision. Associé à une surface focale courbe, il est également possible d'obtenir une sensibilité plus élévée en réduisant le nombre d'éléments optiques. Dans cette étude spécifique, une relation directe entre la sensibilité et l’amplitude de courbure a été établie. Le nombre d’éléments optiques et l’uniformité des performances sur le champ de vision ont également été analysés. Grâce à cette innovation technologie, il est montré la possibilité d'observer de faibles aurores boréales depuis l’espace avec une sensibilité élevée. Puis, un procédé de courbure a été mis au point. Plusieurs capteurs courbes ont été obtenus. Des formes convexes et concaves ont été réalisées avec succès sur des capteurs rectangulaires pour différents rayons de courbure, montrant un rendement de fabrication élevé. Une caméra UV compacte à champ large et très sensible a été conçue grâce à une surface focale sphérique. Des prototypes de capteurs courbes ont été réalisés et leurs formes mesurées. L’imagerie UV peut être considérablement améliorée par des capteurs d’image courbes et la communauté scientifique en bénéficiera.

Thesis resume

Imaging systems focus light on flat sensors due to manufacturing constraints in photolithography. In nature, most vision systems have curved photosensitive surfaces, like the retinas of human eyes, the result of thousands of years of evolution. By reducing aberrations, curved focal surfaces simplify optical systems and reduce the mass, volume and overall cost of an instrument. For about two decades, the benefits of using curved focal surfaces have been quantified for various applications. These results have shown the gain brought by curved imaging sensors in infrared and visible optical systems. Spherical, cylindrical, toroidal and aspherical shapes have been produced in the laboratory. During this PhD, the advantages of including a curved focal surface in a refractive system for the wide-field observations of the aurora borealis in ultraviolet were studied for the first time. The main constraint of UV imaging systems is the lack of materials with high transmissivity in this spectral band. Usually, reflective imagers are preferred for UV observations. However, these systems are limited to a small field of view and a small aperture. This limitation can be overcome using curved focal surfaces. A refractive lens made of glass materials can provide a wide field of view and a large aperture. In addition, a curved focal plane array enables to reduce the number of optical elements, increasing the system sensitivity. A direct relationship between sensitivity and curvature amplitude has been established. The number of optical elements and the uniformity of performance over the field of view were also analyzed. Thanks to this technological innovation, it is shown the possibility of observing faint northern lights from space with high sensitivity. A single-chip curving process was developed. Several curved sensors were obtained. Convex and concave shapes have been successfully achieved on rectangular sensors for various radii of curvature, showing a high manufacturing yield. Finally, a highly sensitive compact wide field far UV camera has been designed thanks to a spherically curved focal surface. Curved sensor prototypes have been manufactured and performances have been measured. UV imaging can be drastically improved by curved imaging sensors and the scientific community will benefit from it.