Brevet FR2427627A1 — publié le 19791228

La présente invention concerne les dispositifs d'analyse de scène lointaine par balayage, permettant de former successivement l'image de chacun des points de la scène sur un organe détecteur de faible dimension. L'invention trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine de l'exploration de la surface terrestre à partir de satellites, notamment de satellites en orbite polaire ou basse. Dans une telle application, le déplacement du satellite sur son orbite fournit automatiquement un balayage. spatial rectilinéaire suivant une première direction. Ce balayage suivant une bande de la surface terrestre peut être suffisant lorsque 11 émission de la surface terreste à analyser est dans une gamme du spectre pour laquelle on dispose de détecteurs en barrette (technique dite de ratissage ou "push-broom") . Mais pour certaines fractions du spectre, et en particulier dans l'infrarouge, on ne dispose que de détecteurs quasi ponctuels, de sorte qu'un balayage suivant une seconde direction rectilinéaire, orthogonale à la première, est nécessaire. On a déjà réalisé.des dispositifs de balayage permettant d'atteindre ce résultat. Certains de ces dispositifs, les plus fréquents, effectuent le balayage dans l'espace objet de l'optique de prise de vue, c'est-à--dire en amont du télescope dans le sens de propagation de la lumière. Si un tel dispositif a l'avantage d'être relativement simple, il est très mal adapté à des instruments de grande dimension (qui imposent des miroirs mobiles de très grande dimension également) et de résolution élevée (la fréquence d'analyse mécanique variant approximativement comme le carré de la résolution spatiale) . De plus, l'efficacité de balayage (rapport du temps utile de prise de vue à la durée totale d'un cycle de balayage suivant la seconde direction) des dispositifs à balayage dans l'espace objet est généralement médiocre.Or, cette efficacité de balayage joue un rôle prépondérant en ce qui concerne les dimensions à donner à l'optique. On a également réalisé un dispositif à balayage dans l'espace image, qui a l'avantage d'avoir une efficacité de balayage proche de l'unité et dont les pièces en mouvement ont une dimension mécanique qui dépend relativement peu du diamètre de l'optique principale, constituée généralement par un télescope. Le dispositif de balayage existant utilise une pluralité de catadioptres répartis à intervalles angulaires égaux sur une roue tournant à vitesse constante. Cette disposition n'est pas entièrement satisfaisante du point de vue de la qualité optique de limage obtenue et de l'absence de modulation parasite du signal. La présente invention vise à fournir un dispositif optique d'analyse d'une scène lointaine par balayage, caractérisé en ce qu'il comprend un système télescopique fournissant une image de ladite scène dans une surface focale avec balayage spatial rectilinéaire suivant une première direction, système ayant une pupille d'entrée et une pupille de sortie fixes et un système optique de balayage de la surface focale du système télescopique suivant une direction rectilineaire,orthogo- nale à la pren::ière,et de relais, ledit système de balayage étant tel que tout point d'une ligne de la surface focale soit conjugue successivement par le système de balayage avec un même point fixe occupé par un détecteur et qu'il conjugue en permanence la pupille de sortie du système télescopique avec un diaphragme fixe Le système de balayage peut notamment être constitué par un miroir tournant à facettes, renvoyant le faisceau vers une optique relais de concentration sur le détecteur. I1 peut également être constitué par une pluralité d'optiques de balayage réparties à la périphérie d'une roue et par un miroir oscillant de renvoi. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure t est un schéma de principe montrant le balayage rectilinéaire d'une bande de la surface terrestre par un satellite d'observation en orbite basse, stabilisé suivant les trois axes - la figure 2 est un schéma de principe en plan montrant une constitution possible du système télescopique - la figure 3 est un schéma à grande.échelle montrant les constituants principaux du système de balayage suivant la seconde direction associé- au système télescopique de la figure 2 - la figure 4 est un schéma de principe montrant, en plan, une autre constitution possible du système de balayage - la figure 5 est un schéma de principe d'un dispositif comportant un système télescopique et un système de balayage similaire à celui de la figure 4, vu suivant un plan perpendiculaire au plan de balayage - la figure 6, similaire à la figure 5, montre une variante de réalisation - les figures 7 et 8 montrent une constitution possible du système de balayage schématisé en figure 6, respectivement vu perpendiculairement au plan de balayage et dans le plan de balayage - la figure 9 illustre très schématiquement une autre variante encore de réalisation. On décrira maintenant divers modes de réalisation de l'invention utilisables sur satellite d'observation de la terre. La figure 1 montre qu'un satellite-10 muni d'un système telescopique 11 forme, lors de son défilement dans le sens indiqué par la flèche f, l'image de zones successives de la terre, dans une bande 12. En particulier, l'image d'une ligne 13 perpendiculaire au sens de défilement peut être formée sur une barrette 14 de detecteurs optiques placée dans le plan focal du télescope. On réalise ainsi un balayage du type frequemment dénommé "pushbroom". Aucun dispositif de balayage mécanique n'est necessaire. il faut seulement que le télescope soit d'un type présentant une surface focale plane. Ce résultat est atteint sans-difficulte dans un champ de 4 à 50 en utilisant un télescope anastigmatique de Baker modifié. Lorsque l'on veut effectuer une analyse dans I'infrarouge moyen ou thermique, on ne dispose pas de photodétecteus groupés en barrettes et un balayage mécanique devient indispensable. Comme on l'a indiqué plus haut, il est souhaitable d'utiliser un balayage dans le plan image lorsque le système télescopique est de grande dimension et qu'on cherche à obtenir des performances élevées. Les figures 2 et 3 montrent un premier mode de réalisation d'un dispositif permettant un tel balayage et, de plus, permettant de conjuguer la pupille de sortie du système télesco pique avec un diaphragme-fixe (qui peut être réel ou virtuel) au travers du système de balayage et de formation d'imager de sorte qu'on évite toute modulation parasite du signal tout en conjuguant chaque point d'une ligne de la surface focale avec un point fixe occupé par un détecteur, étant entendu que lton peut balayer simultanément plusieurs lignes parallèles en formant les images correspondantes sur des détecteurs distincts. Les figures 2 et 3 (oû l-'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté) montrent un système télescopique comprenant un miroir primaire parabolique 15 qui reçoit le faisceau incident 16 sensiblement cylindrique provenant d'un point de la scene à observerrà travers une pupille d'entrée 17. Le-miroir 15 focalise le faisceau réfléchi vers un point 18 situé dans son plan focal. Ce faisceau réfléchi 19 est intercepté par un miroir sphérique ou elliptique 20 convexe qui reforme un faisceau parallèle 21 qui est repris par un miroir secondaireconcave sphérique 23. Le faisceau réfléchi par le miroir secondaire 23 forme une image avant de passer par la pupille de sortie fixe 24. Les faisceaux 16 provenant des divers points de la scène observée donnent naissance à des images dans la surface focale 25 du système télescopique. Les systèmes ayant la composition montrée en figure 2 présentent généralement une surface. focale dont la courbure est de même sens que celle du miroir 23. Le système de balayage représenté en figure 3 comporte un miroir cylindrique comprenant plusieurs facettes planes 26 (huit par exemple) régulièrement réparties angulairement. Ce miroir est entrain en rotation à vitesse constante par des moyens non représentés Son axe de rotation doit passer par le centre de courbure de la surface dans laquelle se forme l'image qu'il doit balayer et son rayon (mesuré au centre des facettes) doit être égal à la moitié du rayon de courbure de cette même. surface à balayer, afin que tout point du champ reste conjugué du centre fixe. Le télescope montre en figure 2 a une surface focale 25 dont la courbure est généralement faible et qui est de sens opposé à celle qui est souhaitable. Le rayon r/2 du miroir étant directement~lie à celui de la surface à balayer, il faut que cette dernière soit fortement courbée pour que le dispositif puisse être mis en oeuvre. Pour atteindre ce résultat, on interpose, entre le télescope proprement dit et le système de balayage, un organe catadioptrique 27 situé pratiquement dans la surface focale du télescope, qui n'affecte pratiquement pas l'imagerie de champ mais permet d'obtenir une courbure de champ arbitraire. On peut notamment utiliser un miroir concave. Dans ce cas C = 2 C - C. r ni l C et Ci étant respectivement la courbure du miroir et la ni i courbure initiale. On peut également utiliser, comme illustré sur la figure 3, une lentille de Mangin (ménisque divergent à face arrière argentée). L'organecatadioptrique de champ 27 participe également à l'imagerie pupillaire : il reforme l'image de la pupille de sortie 24 (figure 2) sur le miroir à facettes, qui constitue l'équivalent d'une pupille 28. Enfin, une optique de renvoi fixe reprend le faisceau provenant du miroir tournant . Cette optique de renvoi peut comporter des séparateurs dichroiques lorsqu'on veut effectuer une détection dans plusieursdomaines de longueurs d'ondes. Les détecteurs utilisés dans l'infrarouge peuvent être de type classique et il n'est donc pas nécessaire d'y faire référence ici. On constatera que le dispositif qui vient d'être décrit peut être constitué entièrement en surfaces réfléchissantes et donc peut travailler dans un domaine de longueurs d'ondes beaucoup plus large qu'un système dioptrique, étant donne la difficulté de trouver des dioptres n'ayant pas une absorption élevée dans certains domaines. On peut évidemment utiliser d'autres types de télescopes, et notamment des télescopes anastigmates à plusieurs miroirs dérivés du télescope de Baker-Paul ayant une excellente qualité optique et une courbure de champ qui peut être élevée. De tels télescopes permettent d'atteindre des champs élevés, de l'ordre de 170. Les figures 4 et 5 montrent la constitution de principe d'un autre système de balayage. Le système télescopique, représente schématiquement par un simple miroir 30, fournit, à partir du faisceau cylindrique 31 provenant d'un point de la surface observée, une image dans une sphère focale 32, de rayon r Le système de balayage comprend une roue portant plusieurs objectifs 33 identiques, au nombre de dix-huit par exemple. Les objectifs sont placés sur un cercle ayant le même centre oue la surface focale , placé sur l'axe de rotation de la roue. Chacun des objectifs 33 à son tour reforme l'image de points successifs de la bande terrestre balayée sur l'axe de rotation de la roue, fixe dans l'espace. Le système de balayage comporte de plus un miroir 34 de petite dimension, placé au centre de rotation de la roue. Ce miroir est muni de moyens,non représentés, couplés à ceux qui font tourner la roue et qui le soumettent à un mouvement alternatif d'oscillation. Le miroir 34 accompagne d'abord la roue dans sa rotation dans le sens de la flèche f, mais à vitesse réduite de façon que le faisceau émergeant 35 soit fixe, et a un mouvement de retour rapide. L'axe du miroir 34 devra faire un angle avec celui de la roue de façon à renvoyer le faisceau 35 vers une optique de reprise. Là encore, il est souhaitable que la pupille de sortie du télescope soit placée au niveau du centre de courbure pour diminuer la dimension des objectifs 33. Le système de la figure 4 peut être monté directement au foyer d'un télescope de Schmidt, sans optique de champ. Le diamètre de la roue est alors double de la focale du télescope. Si l'on veut réduire le diamètre de la roue, il sera nécessaire d'ajouter un miroir de champ ou un ménisque de frangin pour accroître la courbure. La disposition pratique peut être celle montrée en figure 5 : cette figure montre un télescope de Schmidt comprenant successivement une lame correctrice 36 et un miroir sphérique 30a. Pour diminuer l'encombrement du télescope sans modifier ses caractéristiques, il est prévu un miroir plan 38 de repliement du faisceau 39 provenant de la lame de Schmidt dans une direction parallèle à la direction du faisceau incident. Le miroir sphérique 30a forme l'image du faisceau incident dans sa surface focale 32a qui est balayée par les objectifs 33a portés par une roue 37. Au lieu d'utiliser des objectifs 33 constitués par dioptres, dont l'absorption peut être gênante, on peut utiliser des miroirs. Dans le mode de réalisation illustré en figure 6 (ou les organes correspondant à ceux des figures 4 et 5 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice b), on retrouve une lame correctrice de Schmidt 36b constituant pupille d'entrée, un miroir plan de renvoi 38b et un-miroir sphérique primaire 30b fournissant une image dans la sphère focale 32b. Le système de balayage comprend encore dix-huit objectifs 33b, constitués chacun par un miroir concave 39 et un miroir convexe 40 fournissant une image sur l'axe de rotation de la roue 37b, axe ou se trouve également la pupille de sortie. Le faisceau de sortie 35b du miroir 34b (représenté décalé vers le bas sur la figure 6 pour plus de clarté) est repris par une optique comprenant un jeu de deux miroirs convergents 41 et 42 fournissant une image définitive dans le plan focal du miroir 42 sur un détecteur 43. Dans la pratique, les objectifs de balayage 33b peuvent être montés comme indiqué sur les figures 7 et 8. Le miroir 39 est directement porté par un support fixé à la roue 37b par des moyens de fixation réglables. Le miroir 40 est luimême monté sur le support du miroir 39 par des organes permettant un réglage de position et d'orientation. Dans une autre variante encore de réalisation de l'invention, le système de balayage comprend, au lieu d'un miroir à facettes ou d'objectifs tournants, un miroir oscillant unique qui pivote autour du centre de courbure de l'image. Là encore, une optique de champ forme l'image de la pupille -de sortie sur le miroir oscillant. La loi de mouvement du miroir en fonction du temps peut être choisie suivant les résultats à obtenir et, en particulier, être linéaire ou sinusoïdale. Le système de commande de déplacement pourra être lui-même de type très varié. Dans un autre mode encore de réalisation de l'invention, montré de façon tres schématique en figure 9, on utilise, au lieu d'un miroir à facettes rotatif ou d'objectifs portés par une roue, un dièdre réfléchissant 42 animé d'un-mouvement de va-et- vient le long d'une ligne de la surface focale, comme indiqué par la flèche f. Ce montage s'adapte particulièrement bien au cas ou la surface focale a une courbure faible.L'emploi d'un dièdre reflecteur présente l'avantage de ce que le déplacement du point image correspondant à un point objet fixe est double du déplacement propre du dièdre 42, ce qui permet de diviser par 2 l'amplitude mecanique du mouvement requis pour un champ optique donné Lorsque l'ensemble du dispositif doit fonctionner dans l'espace, il sera généralement avantageux d'utiliser des paliers magnétiques qui autorisent une longue durée de vie dans ces conditions de fonctionnement. Les moyens d'entraînement pourront être constitués par un moteur électrique, eventuellement associé à une boucle d'asservissement d'un organe d'entrée d'un capteur de position ou de vitesse ou un oscillateur à harmoniques accordées. Pour diminuer la consommation d'énergie, en cas de mouvement alternatif -on pourra utiliser un rebond sur butée de fin de course mécanique ou magnétique. Enfin, on pourra ajouter au système télescopique que l'on souhaite utiliser, lorsque cela est nécessaire, une lentille de champ ayant peu a'effet sur la courbure, mais permettant d'adapter la position de la pupille de sortie, lentille qui peut être constituée en plusieurs fractions en matériautrans- parents due nature différente, correspondant chacun à une portion déterminée du spectre (par exemple verre, germanium, silicium, quartz, etc.). REVENDICATIONS 1. Dispositif optique d'analyse d'une scène lointaine par balayage, caractérisé en ce qu'il comprend un système télescopique fournissant une image de ladite scène dans une surface focale avec balayage spatial rectilinéaire suivant une première direction, système ayant une pupille d'entree et une pupille de sortie fixes ; et un système optique de balayage de la surface focale du système tqlescopique suivant une direction rectilinéaire, orthogonale à la première, et de relais, ledit systeme de balayage étant tel que tout point d'une ligne de la surface focale soit conjugué successivement par le système de balayage avec un même point fixe occupé par un organe de détection et qu'il conjugue en permanence la pupille de sortie du système télescopique avec un diaphragme fixe. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est porté par un satellite en orbite basse ou polaire dont le déplacement propre par rapport à la terre fournit le balayage rectilinéaire suivant la premiere direction. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de balayage est constitué par un miroir tournant à facettes renvoyant le faisceau vers une optique relais de concentration sur le détecteur, dont l'axe de rotation passe par le centre de courbure du plan focal du système télescopique et dont les facettes se trouvent à une distance du centre égale à la moitié du rayon de courbure de la surface focale. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de balayage comprend une pluralité d'optiques de balayage réparties à la périphérie d'une roue tournant autour d'un axe passant par le centre de la surface focale du systeme télescopique et un miroir de renvoi vers l'optique relais fixe, ledit miroir de renvoi étant oscillant autour d'un axe passant également par le centre de la surface focale. 5. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de balayage comprend un dièdre réflecteur animé d'un mouvement de translation alterné le long d'une ligne contenue dans la surface focale du système télescopique. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé-en ce que le système télescopique comprend un télescope de Schmidt à miroirs.