11 Août 2022

[Quézako?] La 1ere caméra spatiale couleur low cost !

La caméra Caspex, développée en 2015 par le CNES et 3DPlus, est la 1ere caméra générique pour les missions spatiales. Elle s’appuie sur des capteurs d’images CMOS, les mêmes que ceux utilisés dans les smartphones. De nombreux satellites ou encore des rovers pour l’exploration spatiale l’embarquent à leur bord.

À droite, la caméra spatiale Caspex fournit des images d’une résolution de 4 millions de pixels. À gauche, la prochaine version Caspex 12M, en cours de développement, sera en mesure de capter des images avec une résolution de 12 millions de pixels. Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2022.

Déjà plus de 500 caméras caspex dans l'espace

2,5 cm d’épaisseur – un côté de 3,5 cm – 64 g sur la balance… Ces mensurations parfaites sont celles d’une caméra dédiée à l’exploration spatiale ! Plus exactement, vous avez sous les yeux des caméras Caspex, pour CAmera for SPace EXploration. Le carré irisé visible au centre de la caméra est un capteur de lumière d’une résolution de 4 millions de pixels. « C’est exactement le même type de capteur que celui de nos smartphones ! », commente Cédric Virmontois, chef du service opto-électronique de détection au CNES. Tout comme un appareil photo classique, on y place un système optique – l’équivalent d’un objectif – devant : par exemple, le rover Perseverance qui se déplace à la surface de Mars embarque une caméra Caspex placée au plan focal du télescope de l’instrument SuperCam. Elle observe la géologie autour du rover et permet de sélectionner les cibles d’intérêt scientifique à analyser. 

Chaque satellite de la constellation OneWeb [...] embarque 2 modules Caspex

Si Caspex n’est pas la 1ere caméra à prendre son envol vers l’espace, elle offre de nombreux avantages : une taille réduite, une faible consommation d’énergie et un coût modeste. Pour respecter ces contraintes, nous avons par exemple choisi d’utiliser des filtres de Bayer déposés sur ses pixels lors du développement en partenariat avec la société 3DPlus. Ces filtres génériques de couleur rouge, vert et bleu – qui permettent de voir en couleur – sont classiquement utilisés dans les smartphones. Résultat ? Plus de 500 caméras Caspex sont déjà en orbite au-dessus de nos têtes ou sur Mars ! « Chaque satellite de la constellation OneWeb – qui vise à fournir une connexion internet dans les zones mal desservies – embarque 2 modules Caspex dans les "star trackers" Auriga de la société Sodern pour déterminer sa position grâce à l’observation des étoiles », détaille Cédric Virmontois. 

Et d’autres caméras Caspex s’apprêtent à décoller. À commencer par la mission MMX, qui prévoit de déposer un rover sur la lune martienne Phobos en 2024. 2 caméras à l’avant du rover offriront une vision 3D du paysage de Phobos, et 2 autres placées au-dessous du rover scruteront ses roues pour étudier les effets de la micro-gravité sur leur déplacement. « Toutes les caméras sont désormais calibrées et seront intégrées au rover d’ici la fin de l’été », rapporte Cédric Virmontois. Enfin, grâce à notre collaboration avec les Émirats Arabes Unis, 3 caméras Caspex seront embarquées à bord d’un rover qui partira vers la Lune en novembre 2022 pour la mission Rashid 1. Un 2e rover équipé de caméras Caspex multispectrales devrait s’envoler en 2025 à destination de la Lune pour la mission Rashid 2.

Cédric Virmontois, chef du service opto-électronique de détection au CNES. Crédits : CNES/MALIGNE Frédéric, 2022.

Un rover équipé de 4 caméras Caspex doit se poser sur Phobos, satellite naturel de la planète Mars, en 2024 dans le cadre de la mission MMX. Crédits : NASA/JPL-Caltech/University of Arizona, 2008.

Minutieux travail de qualification

Le 1er projet qui a fait germer l’idée des caméras Caspex remonte à 2015 : le cubesat EyeSat. Ce projet étudiant visait à observer la lumière zodiacale et imager la Voie lactée. « Nous avions besoin d’une caméra très intégrée pour ce projet, et nous réfléchissions au même moment à la meilleure caméra pour SuperCam, l’instrument du rover Perseverance, raconte Cédric Virmontois. Nous avons eu l’idée d’utiliser la technologie de capteur d’images CMOS commerciale, très développée sur Terre mais alors jamais utilisée dans l’espace ! »

La face avant de la caméra est équipée d'un système optique adapté à la mission pour laquelle elle est employée : grand angle pour observer l'environnement proche, angle réduit pour une meilleure résolution, téléscope pour SuperCam... Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2022.

Embarquer une caméra dans l’espace n’est pas une mince affaire : il faut s’assurer qu’elle soit parfaitement fonctionnelle dans des conditions éprouvantes. « Nous avons réalisé un gros travail de qualification, cela nous a permis de simuler sur Terre les conditions auxquelles la caméra allait être soumise », explique Cédric Virmontois. Placée tour à tour sous vide, de -55°C à +125°C, à 70 % d’humidité, bombardée de rayonnements ou encore stockée à chaud pendant des milliers d’heures : sur Terre, la caméra a démontré sa grande résistance grâce notamment à des protections contenues dans le cube. En collaboration avec la société française 3DPlus, 3 années de labeur ont été nécessaires pour aboutir au 1er modèle de Caspex capable de voler. 

Dans le cadre de R&T puis de projetsnous avons pris des risques qui ont payé : aujourd’hui la caméra est commercialisée dans le monde entierCela a permis de créer une cinquantaine d’emplois chez 3DPlus, et 73 chez Sodern qui a créé une ligne de fabrication dédiée.

Le consortium travaille déjà à la suite, puisqu’une nouvelle génération de caméras Caspex est en cours de développement. D’une résolution de 12 millions de pixels, la grande sœur Caspex 12M devrait se poser sur l’astéroïde Apophis en 2027 dans le cadre de la mission Droid en collaboration avec la NASA.

Caméra spatiale Caspex en tests au CNES de Toulouse en 2022. Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2022.

Capteur de la caméra Caspex du rover Perseverance. Crédits : Caspex/Virmontois.

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