Brevet FR2597618A1 — publié le 19871023

i 2 5 2597618 TELESCOPE SPATIAL RELIE A UN LOCALISATEUR D'ETOILES L'invention se rapporte à un télescope spatial relié à un localisateur d'étoiles et dont la plate-forme d'instrumentation est pointée au moyen de ce dernier sur 5 une étoile de référence et dans lequel il est prévu des moyens optiques pour transférer les images formées dans l'objectif du télescope dans le trajet des rayons du localisateur d'étoiles, et vise, en outre, un procédé pour la détermination des écarts angulaires, provoqués 10 par des influences extérieures, entre les axes optiques du télescope et du localisateur d'étoiles. Pour les observations astronomiques, on utilise de plus en plus des télescopes placés dans l'espace et décrivant une orbite autour de la terre. 15 Dans les domaines UV, visible et IR, on emploie exclusivement des télescopes a miroir ayant un trajet des rayons convergeant et divergeant en raison de leurs bonnes caractéristiques de reproduction et de leur structure compacte. Pour le pointage des télescopes, on 20 recourt à un dit "localisateur d'étoiles" ou capteur d'étoiles qui est monté fixe sur le télescope ou sur la plate-forme de pointage et dont l'axe principal est disposé parallèlement A l'axe optique du télescope. Le rôle du localisateur d'étoiles, qui est réalisé sous la forme d'un petit télescope comprenant un détecteur sensible à la position monté derrière tel qu'un "Image Dissector Tube" (tube analyseur d'images) 5 ou un "Charge Coupled Device" (dispositif à transfert de charges) et qui est doté d'un champ visuel sensiblement plus grand que le télescope principal, est la mesure exacte de la position d'étoiles connues par rapport à son axe. A partir de la dérive ainsi mesurée des étoiles 10 de référence, on peut maintenant déterminer l'orientation axiale du télescope d'observation. Les précisions d'orientation visées se situent, selon la grandeur du télescope et du domaine spectral utilisé, dans un ordre de grandeur d'une seconde d'arc ou mieux. 15 Comme étoiles de référence, on utilise des étoiles d'une luminance Mv = +2 à +8 et le champ visuel du localisateur d'étoiles est généralement de quelques grades carrés. Les difficultés auxquelles on se heurte avec 20 ce procédé et auxquelles se rapporte l'invention, sont les variations thermiques de l'ensemble de la structure télescope, localisateur d'étoiles et plate-forme de pointage. Par suite du déplacement orbital et de la nouvelle orientation constante du télescope et de la 25 plate-forme lors des observations célestes, il se produit des écarts angulaires variables dans le temps entre les axes du télescope et du localisateur d'étoiles. Pour que la précision d'orientation souhaitée puisse être obtenue, il faut que ces écarts angulaires 30 soient mesurés de temps en temps pendant toute la mission à l'aide d'un système de mesure spécialement conçu à cet effet, ledit système de contrôle d'orientation. Les écarts angulaires à attendre se situent dans la zone de quelques dix secondes d'arc et 35 la précision de mesure nécessaire du système de contrôle d'orientation dans un ordre de grandeur d'une seconde d'arc. Le télescope et les instruments de mesure sont généralement groupés sur une plate-forme d'instrumentation et on peut partir du principe qu'au cours de la mission sur orbite, ils sont mutuellement rigidement raccordés et ne se déplacent qu'en tant qu'unité complète par rapport au localisateur d'étoiles. Pour le système de contrôle d'orientation, il 10 existait jusqu'ici des concepts de base. Dans l'un de ces concepts, au moyen du télescope, on centre une étoile naturelle sur un capteur sensible à la position installé dans le plan focal du télescope et on mesure en même temps l'orientation du télescope sur le 15 localisateur d'étoiles. Dans le second concept, a travers la paroi du télescope et par l'intermédiaire d'une chaîne de prismes adaptée à cet effet, on fait sortir le rayon lumineux orienté d'une étoile artificielle qui est solidaire de la plateforme 20 d'instrumentation du télescope et on l'introduit dans l'ouverture de réception du capteur d'étoiles. La position de l'image de l'étoile artificielle reflète ici la position momentanée de la plate- forme d'instrumentation. Les deux concepts présentent plusieurs inconvénients. Les télescopes IR sont généralement refroidis jusqu'à des températures inférieures a 10 K. A ces basses températures, on rencontre de nombreuses difficultés en ce qui concerne le fonctionnement des 30 capteurs à semi-conducteurs sensibles à la position. Dans les détecteurs commerciaux comme les capteurs à quadrants ou les CCD à base de silicium, une partie des porteurs de charge gèle complètement et les préamplificateurs doivent être préchauffés à 80 K, ce qui 35 provoque une contrainte thermique élevée indésirable de la chambre des instruments. En cas de fonctionnement dans des télescopes non refroidis, le bruit de fond des détecteurs et du préamplificateur est relativement élevé et on ne peut utiliser que des étoiles de référence relativement brillantes. En ce qui concerne le second concept, il faut que la puissance du rayon de référence soit produite par l'intermédiaire d'une chaîne de prismes triples, 10 afin qu'un déplacement possible des prismes n'ait aucune influence sur la marche des rayons. Au total, ce procédé est optiquement et mécaniquement très compliqué. L'objet de l'invention est de perfectionner un télescope du type précité de manière que les écarts 15 angulaires entre les axes optiques du télescope et du localisateur d'étoiles puissent être déterminés fiablement par des moyens simples. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que dans le plan focal de l'objectif du 20 télescope est placée l'entrée d'un faisceau ordonné de fibres optiques dont la sortie débouche dans le plan focal d'un objectif de collimateur placé dans l'ouverture, côté objet, de l'objectif du localisateur d'étoiles. En pareil cas, il est préférable que 25 l'objectif du collimateur ait une distance focale dépassant de beaucoup la distance focale de l'objectif du localiseur d'étoiles, l'objectif du collimateur étant avantageusement réalisé sous la forme d'undit téléobjectif. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'objectif du collimateur est placé sur le bord de l'ouverture, côté objet, de l'objectif du localisateur d'étoiles, et il est prévu un système de prismes faisant entrer le trajet des rayons de 2 2597618 l'objectif du collimateur dans le trajet des rayons de l'objectif du localisateur d'étoiles. Selon l'invention, le trajet des rayons du collimateur peut être coupé au moyen d'un obturateur optique. Le procédé selon l'invention pour la détermination des écarts angulaires, provoquée par des influences extérieures, entre les axes optiques d'un télescope et d'un localisateur d'étoiles qui lui est relié, est caractérisé par le fait qu'on pointe le 10 télescope sur l'étoile de référence captée par le localisateur d'étoiles, qu'au moyen du faisceau ordonné de fibres optiques, on envoie l'image de l'étoile de référence produite dans le plan focal du télescope au collimateur monté fixe dans l'ouverture, côté objectif, 15 du localisateur d'étoiles et que l'on compare les coordonnées de l'image de l'étoile de référence produite dans le télescope aux coordonnées de son image produite dans le localisateur d'étoiles. Dans ce procédé selon l'invention, l'image de 20 l'étoile de référence est produite dans l'axe optique du télescope. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, 25 sur lequel: la figure 1 représente un télescope IR relié à un localisateur d'étoiles; la figure 2 représente les pupilles d'entrée et de sortie de différents faisceaux ordonnés de fibres 30 opt-iques; la figure 3 représente le raccordement selon l'invention des trajets des rayons optiques du télescope et du localisateur d'étoiles au moyen d'un faisceau ordonné de fibres optiques. 6 2597618 Conformément à la figure 1, un localisateur d'étoiles 4 est fixé au moyen de supports 3 sur le corps 1 d'un télescope spatial 2 conçu pour l'observation d'images IR. Le télescope 2 est installé sur une plateforme d'instrumentation 5 sur la face inférieure de laquelle sont montés les instruments de mesure 6 coopérant avec le télescope. Dans la partie inférieure la du corps 1 du télescope est logé un cryostat 16 servant à maintenir une basse température constante au niveau de la plateforme d'instrumentation, tandis que la partie supérieure en forme de tube lb du corps, de même que la partie en forme de tube 4a du corps du localisateur d'étoiles 4, servent à supprimer la lumière parasite. b Lors du montage du télescope, les axes optiques OT de l'objectif du télescope et OS de l'objectif du localisateur d'étoiles, schématisés par des lignes en traits mixtes, sont amenés à une position dans laquelle ils sont disposés exactement parallèlement 20 l'un par rapport à l'autre, mais qui, pour les raisons précédemment exposées, ne peut pas être maintenue avec une précision suffisante pendant le fonctionnement du télescope dans l'espace. Lors du pointage du localisateur d'étoiles sur une étoile de référence: 25 déterminée, il n'y a donc aucune garantie que le télescope soit lui aussi exactement pointé sur l'étoile en question. Pour déterminer les écarts angulaires qui se produisent pendant le fonctionnement du télescope entre lesdits axes optiques du télescope et du 30 localisateur d'étoiles, les trajets optiques de leurs rayons sont mutuellement raccordés au moyen d'un faisceau ordonné de fibres optiques d'une façon qui sera décrite plus en détail ci-après. Les figures 2a-2c représentent les ouvertures 35 d'entrée et de sortie de trois modes d'assemblage différents des faisceaux de fibres optiques disponibles dans le commerce. La figure 2a représente un assemblage carré, la figure 2b un assemblage triangulaire et la figure 2c un assemblage hexagonal. Le diamètre d du 5 tronc individuel est généralement en pareil cas de 10 Pm. Le diamètre d'une étoile reproduite par le télescope est généralement d'un ordre de grandeur de 1 seconde d'arc ou, pour les distances focales usuelles de 4 à 9 m pour les télescopes moyens IR, de 20 um à 50 Pm. Un 10 autre agrandissement de l'image de l'étoile peut être obtenu par la reproduction focalisée sur l'extrémité du faisceau, et une réduction de l'image de l'étoile à l'aide de lentilles positives montées en amont. Le diamètre des faisceaux est en général d'un 15 ordre de grandeur de 1 à 4 mm et englobe ainsi généralement un champ visuel de 30 secondes à 2 minutes d'arc. Conformément à la figure 3, l'entrée 7a d'un faisceau ordonné 7 de fibres optiques est placée dans le 20 plan focal ft del'objectif 2 du télescope. Le faisceau 7 de fibres optiques sort de façon étanche au vide du télescope en un point ld du corps 1 de celui-ci et pénètre de façon étanche au vide dans le localisateur d'étoiles 4 en un point 4d du corps de celui-ci. Le plan 25 de sortie 7b du faisceau 7 de fibres optiques est fixé au niveau de l'ouverture, côté objet, de l'objectif 8 du localisateur d'étoiles sur le boîtier d'un objectif 9 de collimateur de manière à coïncider avec le plan focal fk de l'objectif 9 du collimateur. L'extrémité 7b des 30 fibres optiques et l'objectif 9 du collimateur doivent constituer une unité mécanique fermée, par exemple un tube, qui est rigidement raccordée au localisateur d'étoiles. N 15 25 30 L'image de la sortie 7b est introduite dans le trajet des rayons du localisateur d'étoiles au moyen d'un système de prismes 11 réalisé sur une plaque transparente 10. En raison de cette introduction, tous les éléments d'image présents à la sortie du faisceau de fibres optiques sont reproduits par l'objectif 8 du localisateur d'étoiles de la même façon qu'un objet se trouvant dans le plan objet de cet objectif, c'est-àdire les étoiles qui sont situées à une distance pratiquement infinie en tant que source ponctuelle. L'image S d'une étoile de référence, apparaissant dans le plan focal ft du télescope ou à l'entrée 7a du faisceau 7 de fibres optiques, présente les coordonnées yo, zo par rapport à l'axe optique OT du télescope. Elle apparaît à la sortie 7b du faisceau 7 de fibres optiques et par conséquent aussi dans le plan focal de l'objectif 8 du localisateur d'étoiles sous forme d'image S' ayant les coordonnées y'o, z'o. En comparant ces coordonnées, on peut déterminer l'écart angulaire entre les axes optiques OT du télescope et OS du localisateur d'étoiles. L'image de l'étoile de référence est avantageusement produite dans l'axe optique OT du télescope, afin que les coordonnées y'o, z'o puissent indiquer sans autre conversion la mesure de l'écart angulaire. L'objectif du collimateur est établi de façon que l'étoile soit reproduite pratiquement sans diffraction. Cela exige généralement une distance focale relativement longue de la lentille de collimation ou, pour une magnitude d'étoile de 20 P m à 40 pm, une distance focale de 20 à 40 cm. Afin que l'optique ne soit pas inutilement longue, il est recommandé d'utiliser une structure à la manière d'un téléobjectif avec un trajet des rayons convergeant et divergeant. Une caractéristique particulière de la structure optique selon l'invention est la variation de l'échelle de l'image de l'étoile provoquée par les fibres optiques par rapport à l'observation directe de 5 l'étoile avec le localisateur d'étoiles. Si la variation angulaire de l'étoile par rapport à l'axe optique du télescope est a, cette variation angulaire au niveau du rayon orienté de l'image de l'étoile à la sortie du faisceau de fibres optiques apparaît en tant que 4t: 10 ri =! Ftel Fcoll formule dans laquelle Ftel désigne la distance focale du télescope et Fcoll celle de l'optique de collimation. 15 Comme la distance focale du télescope est généralement considérablement plus grande que celle de la lentille de collimation, cela signifie une augmentation sensible de la résolution angulaire. Pour que l'angle exacte soit indiqué par le localisateur d'étoiles, il faut que 20 l'échelle de la valeur angulaire mesurée dans le logiciel du localisateur soit abaissée du facteur Fcoll/ Ftel. Le diamètre du télescope Dtel est généralement considérablement plus grand que celui du localisateur 25 d'étoiles Dst. Le flux lumineux I reçu par l'intermédiaire des fibres optiques suit donc la relation: Dtel 2 I =T( 2tel)2. I D st dans laquelle Io est le flux lumineux de la même étoile en cas d'une reproduction directe par le localisateur d'étoiles et T la transmission du faisceau de fibres optiques, généralement désignée par T=0,5. :::: :::: ::: : : : :: es :: D:::: : f : :: : f: 15:: : f: 0 : a:: D:: :::: È: ? : :::: D:: t::: r :: Of: : 0:,: :. -:::: 0 Dé::: : : D A::: ::: D::: 0:::::::: : C: 0 Comme le rapport quadratique des ouvertures est généralement très élevé, il est possible de détecter avec l'agencement proposé des étoiles de référence beaucoup plus faibles que le localisateur d'étoiles pourrait le faire par voie directe. Il va de soi que cela est très avantageux en raison de la plus grande fréquence des étoiles plus faibles. Il n'est pas nécessaire que l'étoile qui est acheminée par les fibres optiques soit identique à une étoile qui est suivie par le localisateur d'étoiles, bien que cela soit souvent le cas. L'optique de collimation avec l'extrémité des fibres optiques doit être montée avec une fixation aussi rigide que possible au niveau de l'ouverture du localisateur d'étoiles afin que l'ouverture de sortie du faisceau des fibres optiques reste immobile dans le champ visuel du localisateur d'étoiles. Pour pouvoir empêcher l'incidence perturbatrice de la lumière dans le localisateur d'étoiles pendant les mesures effectuées par ce dernier, et pour pouvoir procéder à l'identification précise de l'étoile qui est acheminée par le télescope, le trajet des rayons de l'objectif 9 du collimateur peut être momentanément coupé au moyen d'un obturateur optique 12. REVENDICATIONS 1. Télescope spatial relié à un localisateur d'étoiles et dont la plateforme d'instrumentation est pointée au moyen de ce dernier sur une étoile de 5 référence et dans lequel il est prévu des moyens optiques pour transférer les images formées dans l'objectif du télescope dans le trajet des rayons du localisateur d'étoiles, caractérisé par le fait que dans le plan focal (ft) de l'objectif (2) du télescope est 10 placée l'entrée (7a) d'un faisceau ordonné (7) de fibres optiques dont la sortie (7b) débouche dans le plan focal (fk) d'un objectif (9) du collimateur placé dans l'ouverture, côté objet, de l'objectif (8) du localisateur d'étoiles. 2. Télescope selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'objectif (9) du collimateur a une distance focale dépassant de beaucoup la distance focale de l'objectif (8) du localisateur d'étoiles. 3. Télescope selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'objectif (9) du collimateur est réalisé sous la forme d'un dit téléobjectif. 4. Télescope selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'objectif (9) du collimateur est placé sur le bord de l'ouverture, côté objet, de l'objectif (8) du localisateur d'étoiles et qu'il est prévu un système de prismes (10,11) faisant entrer le trajet des rayons de 30 l'objectif (9) du collimateur dans le trajet des rayons de l'objectif (8) du localisateur d'étoiles. 5. Télescope selon l'une quelconque des revendications précédentes, caract6risé par le fait que le trajet des rayons du collimateur peut être coupé au moyen d'un obturateur optique (12). 6. Procédé pour la détermination des écarts angulaires, provoqués par des influences extérieures, entre les axes optiques d'un télescope et d'un localisateur d'étoiles qui lui est relié selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le 10 fait qu'on pointe le télescope (1) sur l'étoile de référence captée par le localisateur d'étoiles (2), qu'au moyen du faisceau ordonné (7) de fibres optiques, on envoie l'image (S) de l'étoile de référence produite dans le plan focal du télescope au collimateur (9) monté 15 fixe dans l'ouverture, côté objet du localisateur d'étoiles, et que l'on compare les coordonnées (yo, zo) de l'image (S) de l'étoile de référence produite dans le télescope (1) aux coordonnées (y'o, z'o) de son image (S') produite dans le localisateur d'étoiles. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'image (S) de l'étoile de référence est produite dans l'axe optique (OT) du télescope.