Nouveaux procédés de détection appliqués à l'optique adaptative // New detection processes applied to adaptive optics

Les processus d'acquisition d'images sont au cœur des activités scientifiques d'imagerie à haute résolution et de focalisation laser appliquées à plusieurs domaines tels que l'astronomie, la surveillance de l'espace (SST/SSA), les télécommunications optiques dans l'espace libre, etc.
Toutes ces applications nécessitent une optique adaptative pour gérer les perturbations externes induites par la turbulence atmosphérique et l'environnement du télescope lui-même. Dans la plupart des cas, les limitations de performance sont souvent liées à la vitesse de la boucle de rétroaction et à la qualité intrinsèque des données produites par le capteur de front d'onde. L'étape de détection est donc un élément clé du système.
Les nouvelles exigences requièrent des capteurs de plus en plus rapides et des processus de mesure utilisant de larges plages dynamiques. Répondre à ces besoins avec les technologies conventionnelles nécessite des développements spécifiques qui sont longs, coûteux et risqués, avec des résultats limités.

Une alternative consiste à changer de paradigme et à envisager de nouveaux modes de détection pour surmonter certaines des limites fondamentales des technologies actuelles. En particulier, dans le proche infrarouge (SWIR pour Short Wave InfraRed), de nouveaux modes de détection « lin-log » et « even-based » commencent à apparaître. Un premier prototype de caméra SWIR intégrant ces différents modes a été développé par le LPENS (Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure), basé sur la caméra SIRIS développée conjointement par le LPENS et Lytid avec un capteur de NIT (New Imaging Technologies). La caméra a été testée au Pic du Midi sur des cibles à haute dynamique comme les satellites internes peu lumineux des planètes géantes.

SIRIS est une caméra unique qui combine en même temps et pendant la même exposition des réponses linéaires et logarithmiques sur la puce avec la possibilité d'un mode de lecture basé sur les événements et/ou NDRO (Non Destructive Read Out). En outre, il s'agit d'une caméra rapide, à très faible bruit, et grâce à toutes ces caractéristiques, SIRIS atteint une « dynamique illimitée ». (J.Dubouil & al 2024).
L'objectif principal de la thèse est de développer de nouveaux concepts d'analyseurs de surface d'onde et d'optique adaptative, basés sur les caractéristiques spécifiques de la caméra SIRIS. Trois modes de lecture innovants qui répondent à trois limitations fondamentales de l'OA seront étudiés :
- l'exploitation d'un mode à ultra-haute dynamique pour gérer les problèmes d'observation en présence d'une forte turbulence. Ce mode à haute dynamique améliorera considérablement la robustesse et le champ d'utilisation des systèmes d'observation et de télécommunication assistés par OA.
- l'exploitation du mode « événementiel » permettant la mesure directe d'un gradient temporel à très haute fréquence, minimisant les calculs intermédiaires et fournissant un lien direct entre les pixels du détecteur du capteur de front d'onde et les actionneurs du miroir déformable. Ce mode « sans RTC » augmentera considérablement la bande passante des systèmes actuels, avec des applications directes dans le domaine de l'optique adaptative extrême pour la détection et la caractérisation des planètes extrasolaires, SST/SSA et les télécommunications optiques à très haut débit ;
- l'exploitation de la configuration à ROI multiples couplée à des calculs sur puce pour effectuer une OA à grand champ en utilisant un signal multidirectionnel provenant de la caméra scientifique elle-même. Cette combinaison de haute dynamique et de ROI multiples pourrait également être utilisée pour des observations coronographiques d'exoplanètes lorsque le contraste entre l'étoile centrale et la planète est élevé.
Ce travail sera réalisé en étroite collaboration avec plusieurs groupes, dont l'ONERA, le LPENS, l'Observatoire de la Terre et l'Observatoire de la Terre : ONERA, LPENS, Observatoire de Paris, LAM et OHP.
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Image acquisition processes are at the heart of scientific activities in high resolution imaging and laser focalisation applied to several domains such as astronomy, space surveillance (SST/SSA), Free-Space Optical telecommunications, etc.
All these applications require adaptive optics to manage external disturbances induced by atmospheric turbulence and the telescope environment itself. In most cases, performance limitations are often linked to the speed of the feedback loop and the intrinsic quality of the data produced by the wave front sensor. The detection stage is therefore a key element of the system.
New requirements call for ever faster sensors and measurement processes using wide dynamic ranges. Meeting these needs with conventional technologies requires specific developments that are time-consuming, costly and risky, with limited results.

An alternative is to change the paradigm and consider new detection modes to overcome some of the fundamental limitations of current technologies. In particular, in the near infrared (SWIR for Short Wave InfraRed), new “lin-log” and “even-based” detection modes are beginning to appear. A first prototype SWIR camera integrating these different modes has been developed by LPENS (the Ecole Normale Supérieure Physics Laboratory), based on the SIRIS camera developed jointly by LPENS, and Lytid with a sensor from NIT (New Imaging Technologies). The camera was tested at Pic du Midi on high dynamic targets like faint inner satellites of giant planets.

SIRIS is a unique camera that combines in the same time during the same exposure true on chip linear and logarithmic responses with the possibility of event based read out mode and/or NDRO (Non Destructive Read Out). In addition, it is a fast, very low noise camera, and from all these features, SIRIS reaches “unlimited' dynamics”. (J.Dubouil & al 2024).
The main aim of the thesis is to develop new concepts in wavefront sensors and adaptive optics, based on the specific features of the SIRIS camera. Three innovative read-out modes that address three fundamental limitations of the OA will be studied:
- exploitation of ultra-high dynamics mode to manage observation problems in the presence of strong turbulence (a.k.a scintillation effects) on the wavefront sensor signal. This high-dynamic modes will significantly improve the robustness and the scope of use of AO assisted observation and telecommunication systems.
- exploitation of the “event-based” mode enabling direct measurement of a very high-frequency temporal gradient, minimizing intermediate calculations and providing a direct link between the pixels of the wavefront sensor detector and the deformable mirror actuators. This “RTC-less” mode will significantly increase the bandwidth of current systems, with direct applications in the field of extreme adaptive optics for the detection and characterization of extrasolar planets, SST/SSA and very-high-speed optical telecoms;
- exploitation of the multiple ROI configuration coupled with on-chip computations to perform wide field AO using multi-directional signal coming from the scientific camera itself. This combination of High Dynamics and multi ROI could also be used for coronographic observations of exoplanets when the contrast between the central star et the planet is high.
This work will be carried in close collaboration between several groups including: ONERA, LPENS, Observatoire de Paris, LAM and OHP. The student will benefit from the tools, expertise, experimental benches and unique access to large ground-based telescopes available through this network.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Programme COFUND LIGHTinPARIS

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Ecole d'ingénieur en Optique, électronique, Master en Astronomie, Optique, Physique, électronique, mathématiques
Engineering school of Optics, electronics, Master in Astronomy, Optics, Physics, electronics, mathematics