Mesurer le miroir M2 de l'ELT : un banc interférométrique sur mesure

Le miroir secondaire (M2) de l'Extremely Large Telescope (ELT) est le plus grand miroir convexe de précision jamais réalisé. Pour le polir, il faut le mesurer régulièrement, avec une précision extrême. Chez Safran Reosc, nous avons développé pour cela un banc interférométrique dédié.

Ma contribution : j'ai conçu l'architecture du contrôle-commande et du logiciel du banc, puis j'ai supervisé leur développement et la validation du système.

Pourquoi un banc sur mesure

• Un miroir convexe est difficile à mesurer : on ne peut pas placer d'instrument à son centre de courbure.
• La solution classique est une matrice de test : une lentille dont la face concave a exactement la forme du miroir et sert de référence.
• On ne sait pas fabriquer une lentille de qualité optique aussi grande que le miroir. La matrice n'en couvre donc qu'une partie : le miroir est mesuré par sous-pupilles, ensuite assemblées (stitching) pour reconstruire la carte complète.

L'architecture du banc

• Le miroir repose sur son support actif, présenté dans cet article, posé sur une table tournante.
• La matrice de test est placée tout près du miroir. Cette cavité très courte limite les perturbations dues à l'air.
• L'interféromètre, installé en haut d'une tour au-dessus du miroir, fait interférer le faisceau réfléchi par la matrice et celui réfléchi par le miroir.
• Un alignement motorisé sur plusieurs axes pilote la matrice avec des actionneurs haute résolution. Il s'appuie sur un capteur de position (PSD) éclairé par un laser fixé sur le miroir, et sur des capteurs LVDT qui mesurent l'épaisseur de la cavité.
• Le banc est entièrement automatisé : une mesure complète, assemblage compris, se fait en quelques heures.

Un interféromètre et une matrice de test hors normes

• L'interféromètre, conçu sur mesure, acquiert ses images très rapidement : il résiste ainsi aux vibrations. Sa source à faible cohérence supprime les franges parasites.
• Il est extrêmement répétable et voit tout le spectre des défauts du miroir en une seule image.
• La matrice de test en ZERODUR® est l'une des lentilles les plus grandes et les plus difficiles jamais fabriquées : sa face concave est asphérique et sa face convexe est une surface libre.
• Sa fabrication a duré plusieurs années. Elle est aujourd'hui presque parfaite, et ses défauts résiduels sont connus et corrigés dans les mesures.

L'assemblage des sous-pupilles

• L'algorithme d'assemblage ajuste chaque sous-pupille pour minimiser les écarts dans les zones de recouvrement.
• En simulation, il retrouve exactement un décentrement volontaire de la matrice, sans ajouter d'erreur à la carte finale.
• Sur une vraie mesure, il corrige les petits écarts d'alignement entre sous-pupilles : la trajectoire de la matrice redevient celle attendue.

La validation du banc

Nous avons établi un budget d'erreur statistique à partir d'un très grand nombre de contributeurs : mécanique, optique, environnement et traitement des données. Nous avons ensuite mené le plan de validation sur le miroir M2 lui-même.

• Répétabilité d'une sous-pupille : des centaines de mesures successives restent nettement sous le critère fixé.
• Répétabilité de la mesure complète : des mesures répétées sur plusieurs jours restent très en dessous des exigences, sans différence entre court et long terme.
• Reproductibilité : après avoir retiré le miroir, tourné son support et reposé le miroir, les mesures concordent dans les critères.
• Contrôle croisé avec une machine de mesure tridimensionnelle : les deux méthodes concordent bien mieux que demandé.

Où en est le miroir

• Après plusieurs itérations de polissage, toutes les exigences basses fréquences sont atteintes.
• L'erreur de surface résiduelle est déjà nettement meilleure que la spécification. Le polissage traite maintenant les derniers défauts hautes fréquences.
• Les sous-pupilles se raccordent très bien entre elles, signe de la qualité de l'assemblage.

À retenir

• Toutes les performances demandées au banc sont atteintes, souvent avec une large marge.
• Ce que je retiens comme architecte : un banc entièrement automatisé permet de multiplier les mesures et d'apporter la preuve de sa précision.
• Le polissage du miroir converge plus vite que prévu.

Pour aller plus loin

R. Mercier-Ythier, H. Monin, G. Foucaud, C. Beudy, N. Lefeuvre et al., Development of an interferometric test bench for the manufacturing of the ELT secondary mirror, Proc. SPIE 13021-17 (2024), SPIE · DOI