Optique astronomique et élasticité

Pour voir loin, il faut voir bien : loin d'être un slogan d'opticiens, cet impératif de l'astronomie moderne entraîne les physiciens à traquer les aberrations optiques qui dégradent les images et à proposer des solutions correctives.

Lemaitre, Gérard (1943-....). Auteur

Université de Provence (1970-2011). Organisme de soutenance

BU Saint Charles - Sciences, Lettres et Sciences Humaines.(Marseille), cote BUSC 107845

sn (marseille)

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monographie imprimée

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Thèse doctorat : Sciences physiques : Aix-Marseille I. : 1974 (Thèse)
C.N.R.S. A.O. 8820. - Notes bibliogr. (Note)

"Cette thèse de Doctorat d’État es Sciences Physiques, soutenue le 18 janvier 1974 au campus Saint Charles de l’Université Aix Marseille est intitulée ‘’Optique Astronomique et Élasticité’’. Elle concerne la recherche de configurations déformables permettant d’obtenir des surfaces optiques de grande continuité à partir de formes surfacées planes ou sphériques générées par des outils pleine-taille. Ainsi l’absence de défauts zonaux de surfaçage conjuguée aux résultats de la théorie des plaques confèrent à ces méthodes une qualité de surface inégalée. La haute-résolution angulaire des surfaces optiques ainsi obtenues sont dans la limite de diffraction et satisfait notamment au critère de quart d’onde de Rayleigh.

Principalement appliquée à l’élaboration de télescopes et à l’instrumentation astronomique, les résultats présentés constituent une partie importante des méthodes d’optique active. Les développements théoriques et les résultats expérimentaux, à l’Observatoire de Marseille Longchamp, sont obtenus soit pour des surfaces générées in-situ, soit générées par surfaçage sous contraintes, ou encore par la technique de réplication d’une matrice déformable. Ceci permet de découvrir des configurations utilisant des charges uniformes et des forces ponctuelles ou linéiques en un nombre minimal de forces.

On décrit trois classes de miroirs à courbure variable pour les réseaux de télescopes, une méthode à deux zones de dépression pour réaliser des lames de Schmidt asphériques par réfraction, une configuration géométrique pour obtenir des miroirs de Schmidt free-form, une classe de miroirs en vase pour l’asphérisation de miroirs Cassegrain de télescopes, une méthode de réplication optique de matrices déformables pour réaliser des réseaux de diffraction toriques ou plan-asphériques, et aussi différentes configurations de miroirs free-form ou asphériques dissymétriques corrigeant les aberrations extra-axiales (coma et astigmatisme) de la théorie du 3eme-ordre des modes optiques.

ABSTRACT – This doctoral dissertation, defended on 18 January 1974 at the Saint Charles campus of the Université Aix Marseille, is entitled ‘’ Optique Astronomique et Élasticité’’. It involves researches of deformable configurations for obtaining high-continuity optical surfaces while starting from the figuring of plane or spherical surfaces by use of full-size tools. Thus, the conjugation of such surface free from ripple-error with results from the plate theory leads to methods that provide an unrivalled optical surface quality. The high-angular resolution of such an optical surface is diffraction-limited and particularly satisfies the quarter-wave Rayleigh’s criterion.

Mainly applied to the elaboration of telescopes and astronomical instrumentations, the presented results constitute a part of the developed methods by active optics. Theoretical developments of active optics and experimental results, at the Marseille Longchamp Observatory, are obtained either for surfaces generated in-situ, or generated by stress figuring, or replication technique of a deformable matrix. This allows discovering configurations actuated by uniform-load and punctual-force or line-force in a minimal action number of them.

One present hereby three classes of variable curvature mirrors for telescope arrays, a two-zone loading method for making aspheric refractive Schmidt plates, a geometrical configuration for obtaining free-form Schmidt mirrors, a vase form class for the aspherization by partial vacuum of telescope Cassegrain mirrors, an optics replication method of deformable masters for making toroid or plane-aspheric aberration-corrected diffraction gratings, and various configurations of free-form mirrors correcting off-axis aberrations of the 3rd-order optical modes".


Depuis son origine, l'astronomie est la science par excellence de l'observation et de la prédiction. La question de la qualité et de la précision des instruments y est fondamentale et depuis les travaux de R. Descartes (17e siècle) dans le domaine de l'optique géométrique et la problématique des lentilles et de leur polissage, les progrès dans ce domaine dépendent en très grande partie des progrès de l'instrumentation. Gérard Lemaitre fait partie des physiciens qui ont consacré leurs travaux à la compréhension des aberrations de l'optique, les solutions à évaluer et les dispositifs à développer pour tenter de les corriger.


La thèse présentée ici montre qu'il ne s'agit pas de questions triviales et que leurs dimensions expérimentales reposent sur des considérations théoriques qui dépassent la seule ingéniosité pratique.


Au cours des dernières décennies, les défis technologiques relevés par chaque génération d'astronomes ont bouleversé la perception et la compréhension que les scientifiques, autant que le grand public, pouvaient avoir de l'univers. Des avancées rendues possibles grâce au recours à des approches techniques renouvelées, souvent discrètes, parfois spectaculaires, quelques fois obscures, avec des investissements dignes des très grands instruments scientifiques : optique active, optique adaptative, mosaïque de miroirs primaires, interférométrie, traitements d'images, élargissement à tout le spectre des ondes électromagnétiques, ondes gravitationnelles, nouveaux détecteurs,... Les premières images des télescopes de dernière génération, surtout spatiaux, sont devenues des évènements mondiaux et les instruments de véritables stars comme Gaia, Herschel, Planck, Hubble, James Webb, Keck (Keck (USA-Hawaii, hémisphère nord), VLT et VLTI (ESO Chili, hémisphère sud), LAMOST ("Télescope spectroscopique multi-objets à fibres optiques grand champ" inauguré en 2007, Chine, Schmidt géant par réflexion, survey à grand champ utilisant 6 000 fibres optiques, pour lequel la formule du miroir correcteur développée par Gérard Lemaitre lui-même été adoptée).

Au point d'éclipser parfois le travail des équipes internationales qui se mobilisent des dizaines d'années durant sur les projets majeurs.

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