Système d'imagerie corrigée du tilt anisoplanétique assistée par la caméra SIRIS // Anisoplanatic tilt-corrected imaging system assisted by the SIRIS camera

Les variations spatiales de l'indice de réfraction au sein de l'atmosphère introduisent des avances et des retards de phase qui induisent principalement des fluctuations du mode de basculement (aussi appelé tip-tilt) de l'onde optique. En imagerie, le basculement turbulent provoque un bougé d'image global qui réduit notablement la résolution. De plus, la répartition volumique de la turbulence le long de l'axe de visée fait que le basculement turbulent varie avec le champ, si bien qu'on ne peut plus considérer qu'il est constant dans l'image dès lors que le champ image est plus grand que le champ isoplanétique (typiquement de l'ordre de quelques microradians à quelques dizaines de microradians). Ainsi, en imagerie grand, le basculement différentiel, aussi appelé tilt anisoplanétique, introduit des distorsions locales dans l'image qui s'ajoutent à l'effet de tilt global. Ces pertes de qualité image sont pénalisantes pour l'exploitation des images en astronomie ou pour des missions de reconnaissance et d'identification d'objet. Par conséquent, il est nécessaire de corriger le tilt global et anisoplanétique induit par la turbulence atmosphérique.

Les systèmes de correction tip-tilt actuels mesurent généralement le mode de basculement global de l'onde optique par un calcul de centre de gravité ou de maximum de corrélation à partir d'images plan focal de l'objet observé et corrigent des effets du tilt global à l'aide de miroirs de pointage rapide FSM. Néanmoins, ces systèmes de correction ne corrigent pas des effets induits par l'anisoplanétisme et présentent des performances dégradées lorsque l'objet observé est de dimension plus grande que le domaine isoplanétique. De plus, l'évolution rapide des perturbations atmosphériques impose l'utilisation de détecteur à courte pose pour la mesure du basculement turbulent avec des temps d'intégration typiques de l'ordre de la milliseconde, ce qui limite le flux reçu au sein d'une trame. Il y a donc un défi technologique à relever sur la mesure des perturbations atmosphériques, laquelle nécessite d'avoir un détecteur à bas bruit et à grande dynamique.

Cette thèse a pour but de dépasser ces limitations et de développer un système novateur d'optique stabilisée permettant de mesurer et corriger non seulement le basculement global mais aussi les effets de distorsion locale induits par le tilt anisoplanétique. Pour y parvenir, nous proposons de combiner des développements récents autour des circuits de lecture de caméra SWIR rapides, des approches d'analyse d'images multi-directionnelles et des approches de reconstruction tomographique inspirées de l'optique adaptative multiconjuguée. L'architecture envisagée présente de plus l'avantage de n'utiliser qu'un seul et même détecteur pour la mesure du basculement et pour l'imagerie à haute résolution, ce qui permet un gain en compacité par rapport aux systèmes d'imagerie corrigés usuels qui ont recours à un premier détecteur pour la mesure des perturbations à corriger et un second pour l'imagerie haute résolution.

Le concept proposé s'appuie sur la caméra SWIR SIRIS développée par le LPENS qui présente un bruit de lecture très faible, une très grande dynamique ainsi qu'un mode de lecture NDRO (Non Destructive Read-Out) permettant de lire les pixels du détecteur pendant une même pose sans en détruire la charge. Via ce mode de lecture, nous proposons d'utiliser d'une part le signal d'évolution des charges au cours du temps de pose afin de mesurer localement les déplacements induits par la turbulence et par les instabilités mécaniques, et d'autre part l'image acquise à l'issue du temps de pose comme image finale. La mesure des déplacements locaux viendra alimenter une boucle de stabilisation de la ligne de visée en temps réel qui permettra d'obtenir des images finales stabilisées, à haute résolution et à rapport signal à bruit élevé.
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Spatial variations of the refractive index within the atmosphere introduce phase advances and delays that primarily cause fluctuations of the tip‑tilt mode of the optical wavefront. In imaging, turbulent tip‑tilt produces a global image motion that significantly reduces resolution. Moreover, the volumetric distribution of turbulence along the line of sight makes the turbulent tip‑tilt vary across the field, so that it can no longer be considered constant over the image once the field of view exceeds the isoplanatic patch (typically a few to a few tens of microradians). Consequently, in large field-of-view imaging the differential tip‑tilt, also called anisoplanatic tilt, introduces local distortions that add to the global tip‑tilt effect. These image‑quality degradations are detrimental for astronomical data analysis as well as for reconnaissance and object‑identification missions. Therefore, it is necessary to correct both the global and anisoplanatic tip‑tilt induced by atmospheric turbulence.

Current tip‑tilt correction systems usually measure the global tip‑tilt mode of the optical wavefront by computing a centroid or a correlation maximum from focal‑plane images of the observed object, and they correct the global tilt using fast steering mirrors (FSMs). However, these correction systems do not address anisoplanatic effects and their performance degrades when the observed object is larger than the isoplanatic field. In addition, the rapid evolution of atmospheric perturbations requires short‑exposure detectors for measuring turbulent tip‑tilt, with typical integration times on the order of a millisecond, which limits the photon flux per frame. Hence there is a technological challenge in measuring atmospheric disturbances, which demands a detector with low noise and high dynamic range.

The aim of this thesis is to overcome these limitations and develop an innovative stabilized‑optics system capable of measuring and correcting not only the global tip‑tilt but also the local distortion effects caused by anisoplanatic tilt. To achieve this, we propose to combine recent advances in fast SWIR camera read‑out circuits, multi‑directional image‑analysis approaches, and tomographic reconstruction methods inspired by multiconjugate adaptive optics. The envisioned architecture also has the advantage of using a single detector for both tip‑tilt measurement and high‑resolution imaging, thereby offering a more compact solution compared with conventional corrected imaging systems that employ one detector for disturbance measurement and a second detector for high‑resolution imaging.
The proposed concept relies on the SWIR SIRIS camera developed by LPENS, which features very low read‑out noise, a large dynamic range, and a Non‑Destructive Read‑Out (NDRO) mode that allows the detector pixels to be read repeatedly during a single exposure without destroying the accumulated charge. Using this read‑out mode, we propose to exploit the temporal evolution of the pixel charges during the exposure to locally measure displacements induced by turbulence and mechanical instabilities on the one hand, and to use the final accumulated image at the end of the exposure as the science image on the other hand. The locally measured displacements will feed a real‑time line‑of‑sight stabilization loop, producing final images that are stabilized, high‑resolution, and have a high signal‑to‑noise ratio.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Master 2 recherche / école d'ingénieur avec une formation en physique Bon niveau de connaissances en optique, traitement du signal.
Master Sc. with a strong background in physics. Good knowledge and training in optics and signal processing.