Direct Imaging in Optical Stellar Interferometry :
Imaging Capabilities of an Hypertelescope
& Fibered Pupil Densifier
Imagerie Directe en Interférométrie Stellaire Optique:
Capacités d'Imagerie d'un Hypertélescope
& Densifieur de Pupille Fibré.
Résumé
In the next future, the optical stellar interferometers are going to provide real images, by increasing the number of telescopes and by cophasing the beams. These conditions are requiered to have sufficient resolution elements (resel) in the image and to observe the low bright objects. If both conditions are achieved, direct imaging becomes more interesting than Fourier synthesis imaging. From then on, it is time to study the future large array using the hypertelescope mode, which optimizes the image properties. An hypertelescope provides snapshot images with a significant gain in sensitivity, without inducing any loss of the useful field of view. Indeed, it has been shown that the direct imaging capabilities of a sparse aperture are determined by the geometry of the array only, whatever the beam combination scheme. The pupil densification allows to equalize the Direct Imaging Field (DIF) with the real usable field of view offered by the baselines of the interferometer.
Numerical simulations (HYPERTEL) have been performed to study the direct imaging properties. For that, criteria are defined to characterize the image pattern. It is shown that the choice of the geometry of the array is a trade-off between the resolution, the dynamic, the field of view and the astrophysical objectives. A regular and non-redondant pattern of the input pupil optimizes the dynamic, the contrast and the fidelity of the densified image, but decreases the useful field of view. A spotted star, with a low contrast, requiere dynamic, whereas a large field is suitable for the multiple stars.
A pupil densifier using monomode optical fibres in the visible wavelength (SIRIUS) has been developed at the Observatoire de la Côte d'Azur. The effects of introducing single-mode fibres in direct imaging optical interferometers have been studied with numerical simulations. We identify an optimum to define properly the output densified pupil. First densified images have been obtained in laboratory. Spatial filtering greatly enhances the quality and the stability of the densified image, but mainly decrease partially the sensitivity of the signal. Atmospheric perturbations are converted into differential photometric fluctuations, which are easier to calibrate. These photometric fluctuations have few influence on the image quality, which simplify the image deconvolution and the beams cophasing. Finally, the flexibility of the optical fibres is well adapted to carry the beams from the entrance to the exit pupil with the appropriate rearrangement of the sub-apertures, which is convenient for next generation of interferometers, such as VLTI, CHARA, NPOI, MROI or OHANA.
Numerical simulations (HYPERTEL) have been performed to study the direct imaging properties. For that, criteria are defined to characterize the image pattern. It is shown that the choice of the geometry of the array is a trade-off between the resolution, the dynamic, the field of view and the astrophysical objectives. A regular and non-redondant pattern of the input pupil optimizes the dynamic, the contrast and the fidelity of the densified image, but decreases the useful field of view. A spotted star, with a low contrast, requiere dynamic, whereas a large field is suitable for the multiple stars.
A pupil densifier using monomode optical fibres in the visible wavelength (SIRIUS) has been developed at the Observatoire de la Côte d'Azur. The effects of introducing single-mode fibres in direct imaging optical interferometers have been studied with numerical simulations. We identify an optimum to define properly the output densified pupil. First densified images have been obtained in laboratory. Spatial filtering greatly enhances the quality and the stability of the densified image, but mainly decrease partially the sensitivity of the signal. Atmospheric perturbations are converted into differential photometric fluctuations, which are easier to calibrate. These photometric fluctuations have few influence on the image quality, which simplify the image deconvolution and the beams cophasing. Finally, the flexibility of the optical fibres is well adapted to carry the beams from the entrance to the exit pupil with the appropriate rearrangement of the sub-apertures, which is convenient for next generation of interferometers, such as VLTI, CHARA, NPOI, MROI or OHANA.
Les interféromètres stellaires optiques sont en passe de devenir de véritables imageurs. Pour cela, il faut disposer d'un grand nombre de télescopes pour augmenter le nombre d'éléments de résolution (resel) dans l'image, et il faut cophaser activement les faisceaux pour observer des objets peu brillants en pose longue. Si ces deux conditions sont remplies, il devient plus intéressant de travailler en mode Imagerie Directe qu'en mode Synthèse de Fourier. Dès lors, une prospective est menée sur les futurs grands réseaux en mode hypertélescope, qui optimise les propriétés de l'image. En effet, un hypertélescope fournit une image directe instantanée, avec un fort gain en sensibilité sans perte de champ utile. Il a été démontré que le champ utile d'un interféromètre dilué est imposé par la géométrie du réseau, indépendamment du mode de recombinaison. Le fait de densifier la pupille optimise l'image en ajustant le champ d'imagerie direct avec le champ réellement exploitable par l'interféromètre.
Un programme de simulation (HYPERTEL) étudie les propriétés d'une image directe à partir d'un ensemble de critères d'imagerie qualitatifs. Il est montré que le choix de la configuration du réseau est un compromis entre la résolution, la dynamique, le champ et l'objectif astrophysique. Un pavage régulier et non redondant des ouvertures améliore à la fois la dynamique, le contraste et la fidélité de l'image, mais minimise le champ d'imagerie. Les étoiles multiples requièrent un champ d'imagerie suffisant, tandis que les surfaces stellaires faiblement contrastées exigent de la dynamique.
Un nouveau concept de densifieur de pupille à fibres optiques monomodes dans le visible (SIRIUS) a été développé au laboratoire optique de Grasse de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Des études préliminaires sur l'influence des fibres dans le processus d'imagerie ont mis en évidence un optimum pour redéfinir la pupille de sortie du densifieur. Les premières images de SIRIUS ont montré que la densification monomodale améliore la qualité et la stabilité de l'image d'un hypertélescope, moyennant une perte de flux global. Le filtrage spatial des fibres monomodes convertit les perturbations atmosphériques en fluctuations photométriques plus faciles à étalonner. Ces fluctuations photométriques affectent peu la qualité de l'image densifiée, ce qui permet de simplifier la déconvolution de l'image et le cophasage des faisceaux. Enfin, la flexibilité des fibres permet une reconfiguration entrée/sortie plus aisée de la pupille, ce qui convient bien aux nouveaux interféromètres comme le VLTI, CHARA, NPOI, ou encore MROI et OHANA.
Un programme de simulation (HYPERTEL) étudie les propriétés d'une image directe à partir d'un ensemble de critères d'imagerie qualitatifs. Il est montré que le choix de la configuration du réseau est un compromis entre la résolution, la dynamique, le champ et l'objectif astrophysique. Un pavage régulier et non redondant des ouvertures améliore à la fois la dynamique, le contraste et la fidélité de l'image, mais minimise le champ d'imagerie. Les étoiles multiples requièrent un champ d'imagerie suffisant, tandis que les surfaces stellaires faiblement contrastées exigent de la dynamique.
Un nouveau concept de densifieur de pupille à fibres optiques monomodes dans le visible (SIRIUS) a été développé au laboratoire optique de Grasse de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Des études préliminaires sur l'influence des fibres dans le processus d'imagerie ont mis en évidence un optimum pour redéfinir la pupille de sortie du densifieur. Les premières images de SIRIUS ont montré que la densification monomodale améliore la qualité et la stabilité de l'image d'un hypertélescope, moyennant une perte de flux global. Le filtrage spatial des fibres monomodes convertit les perturbations atmosphériques en fluctuations photométriques plus faciles à étalonner. Ces fluctuations photométriques affectent peu la qualité de l'image densifiée, ce qui permet de simplifier la déconvolution de l'image et le cophasage des faisceaux. Enfin, la flexibilité des fibres permet une reconfiguration entrée/sortie plus aisée de la pupille, ce qui convient bien aux nouveaux interféromètres comme le VLTI, CHARA, NPOI, ou encore MROI et OHANA.
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Astrophysique [astro-ph]
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