Conception et modélisation des réseaux de diffraction pour imageur hyperspectral miniature dans le domaine du visible à l'infrarouge moyen

Les applications de l'imagerie hyperspectrale toujours croissantes exigent une résolution spectrale et spatiale de très bonne qualité. Les spectro-imageurs à réseau de diffraction sont donc privilégiés car ils offrent une résolution spectrale élevée pour une bande spectrale large par rapport aux autres types comme ceux à prisme ou à transformée de Fourier. De plus, la miniaturisation des instruments hyperspectraux tendant à se généraliser, il faut un type de réseaux qui répond à cette exigence. Les réseaux convexes sont exploités à cette fin surtout qu'actuellement, il existe des méthodes de leur fabrication. Ce type de réseau dans une configuration de type Offner offre beaucoup d'avantages : cette configuration offre un champ de vision plus large et des aberrations plus faibles. Ces spectromètres ont une structure concentrique et donc une conception compacte. Ils fonctionnent avec un F number relativement faible ($\leq f / 2$), acceptent une longue fente tout en conservant une taille compacte et n'ont besoin que de trois surfaces optiques. L'utilisation de cette conception a abouti à des spectromètres d'imagerie avec des valeurs extrêmement faibles de distorsion spatio-spectrale. Le premier objectif de la thèse est de faire une conception et modélisation des réseaux de diffraction pour imageur hyperpectral. Le deuxième objectif de la thèse est d'étudier l'impact des profils réalistes sur l'efficacité de diffraction et la sensibilité à la polarisation. La plupart des fois, les utilisateurs finaux des imageurs hyperspectraux donnent la courbe d'efficacité de diffraction qu'ils veulent en fonction de leurs applications. Il appartient aux concepteurs /fabricants de trouver une géométrie du réseau qui doit répondre aux exigences en termes d'efficacité de diffraction. Il existe deux types de réseau : un réseau mono-blaze et un réseau multi-blaze. Le réseau mono-blaze est un réseau optimisé à une seule longueur d'onde de blaze c'est-à-dire un réseau à profil uniforme. Le réseau multi-blaze est un réseau optimisé à plusieurs longueurs d'onde, c'est-à-dire un réseau à plusieurs profils ou un ensemble de sous réseaux chacun avec son propre poids c'est-à-dire sa contribution sur la surface du réseau. Dans cette thèse, nous avons d'abord travaillé sur l'optimisation du réseau de l'instrument hyperspectral Chandrayaan 2 (projet exécuté par AMOS pour le compte de l'organisation de recherche spatiale indienne) pour l'observation de la lune dans l'infrarouge. Nous avons proposé une méthode d'optimisation basée sur une approche intuitive d'approximation qui nous a permis d'arriver à une courbe d'efficacité de diffraction dans la fourchette exigée. L'instrument est actuellement sur orbite et fournit de très belles images. Nous avons continué à travailler sur le processus d'optimisation et avons proposé une méthode basée sur la théorie scalaire diffractive et la fonction Matlab \textit{fsolve}. La méthode permet, à partir de la courbe d'efficacité et des valeurs sélectionnées sur cette dernière, de trouver la longueur d'onde ou les longueurs d'onde de blaze et leurs poids ainsi que la marge qui est une valeur d'efficacité de diffraction qu'on ajoute à celle exigée pour déterminer ces paramètres du réseau afin de prévoir les dégradations du réseau après fabrication. C'est une méthode de résolution d'un système d'équations non linéaires en utilisant la méthode de Levenberg-Marquardt. Il faut donc construire un système d'équations à n variables, n variant de n=2 (réseau mono-blaze) à N (nombre de longueurs d'onde de blaze, de leurs poids et la marge qui résulteront du processus d'optimisation). Le nombre d'équations reste inchangé et égal au nombre de valeurs sélectionnées sur la courbe d'efficacité de diffraction de référence pour chaque système. Cette méthode a été appliquée en premier sur le réseau de l'instrument hyperspectral THEO (Technologies for Hyperspectral Earth Observation) développé aussi par AMOS pour le compte de l'ESA. Le processus d'optimisation a abouti à une conception réseau de 3 longueurs d'onde de blaze. Après, il fallait revenir sur le réseau de l'instrument Chandrayaan 2 pour appliquer cette méthode d'optimisation et on est passé d'une configuration de 9 longueurs d'onde de blaze à une configuration de 3 longueurs d'onde de blaze avec pratiquement les mêmes résultats. C'est dans les deux versions de conception du réseau de Chandrayaan 2 que l'étude de l'impact des profils réalistes sur l'efficacité de diffraction et la sensibilité à la polarisation a été effectuée. Nous avons appliqué la méthode pour la conception du réseau de la mission CHIME (The Copernicus Hyperspectral Imaging Mission) pour soutenir en particulier des services nouveaux et améliorés pour la sécurité alimentaire, l'agriculture durable et les matières premières. Cela comprend la gestion de la biodiversité, la caractérisation des propriétés des sols, les pratiques minières durables et la préservation de l'environnement en Europe. Enfin, dans la thèse on montre qu'on peut utiliser la méthode pour l'optimisation du réseau dans deux ordres de diffraction de façon simultanée (l'ordre 2 du visible au proche infrarouge et l'ordre 1 dans l'infrarouge onde courte par exemple). L'application est faite sur la conception d'un réseau de l'instrument hyperspectral THEO (Technologies for Hyperspectral Earth Observation), deuxième variante du réseau du même instrument déjà évoqué. Tous ces projets ont été exécutés par AMOS, notre partenaire dans la thèse