Brevet FR2627292A1 — publié le 19890818

1i 2627292 Système optique à diaphragme de zone partielle L'invention concerne un système optique destiné à former l'image d'un objet en diaphragmant une zone partielle prédéterminée. On trouve dans de nombreux domaines des instruments optiques dans lequels une partie de zone est diaphragmée pour permettre de voir plus distinctement le reste de la zone. Diaphragmer est particulièrement important là ou il existe une source autonome importante qui, si elle n'est pas diaphragmée, se superpose à des zones de bord à rayonnement plus faible. Ce problème est particulièrement important dans les IC' coronagraphes (auparavant: coronographes) avec lesquels on observe la couronne solaire. On diaphragme depuis longtemps des zones partielles en tant que telles.] ais dans les dispositifs connus on utilise des lentilles avant le diaphragme et des filtres coniques pour diaphragmer. Xais si l'on v5 eut observer des densités lumineuses très faibles A côté de sources très fortes, il faut imposer au système de formation d'image des exigences élevées en ce qui concerne la faiblesse du rayonnement diffusé. lais des lentilles individuelles amènenent en raison des défauts de lentilles connus une détérioration de la formation d'image. On peut minimiser les défauts de lentilles en introduisant plusieurs lentilles. Il se produit dans tous les cas en raison du matériau de lentilles un affaiblissement qui est fonction du nombre de lentilles ainsi qu'un accroissement de la diffusion en raison de la rugosité de surface de chaque lentille, ce qui combiné amène une 2 diminution du contraste d'ensemble. Par conséquent un système de lentilles donne soit une bonne image soit une faible lumière diffusée. L'emploi de filtres coniques est un deuxième facteur de perturbation, qui avec l'emploi de lentilles limite la minimisation de rayonnement diffusé. Les coronagraphes font partie des dispositifs qui imposent les exigences les plus strictes sous cet aspect. Dans ces dispositifs on diaphragme jusqu'ici la zone centrale par un filtre conique possédant une couche réfléchissante sur une lentille de champ. Xais comnoe une lentille crée sur deux surfaces et à l'intérieur de la lentille de la lumière diffusée, ceci pose des limites à la réduction de la lumière diffusée. C'est le but de l'invention de permettre de diaphragmer une zone partielle d'une zone d'observation à visualiser en minimisant la lumière diffusée, en particulier celle qui provient de la zone à diaphragmer. Ce but est atteint selon la partie de caractérisation de la revendication 1 en ce que le système comprend un miroir directement frappé par le rayon de l'objet pour créer une image intermédiaire, et en ce que dans le plan de cette. image intermédiaire est disposé un deuxième élément réfléchissant qui présente un diaphragme de zone partielle (ouverture ou alésage, filtre conique, miroir de déviation ou autres éléments actifs du même type) de la forme de la zone partielle à diaphragmer et en aval duquel est placée une partie de système servant à la formation de la partie d'image réfléchie. L'invention se compose essentiellement de deux dispositions qui se complètent de façon avantageuse, à savoir: - l'emploi d'un diaphragme de zone partielle sur un miroir - la focalistion du rayon entrant par un miroir sur le dispositif de diaphragme de zone partielle. Le diaphragme de zone partielle peut dans ce cas être réalisé sous la forme d'une ouverture, c'est à dire d'un perçage, ou d'un filtre 2D conique, d'un miroir de déviation ou d'un autre élément actif du même type. La partie de système en aval sert à diriger les rayons et peut par exemple être composée d'une lentille ou d'un miroir. Chacune de ces dispositions présente en elle-même des avantages par rapport aux systèmes connus Jusqu'ici à diaphragme de zone partielle et pourrait exister seule par elle-même. Par exemple le diaphragme de zone partielle sur le miroir pourrait être aussi un deuxième miroir, par exemple découplé thermiquement qui réfléchisse la zone partielle à diaphragmer selon un chemin optique séparé, mais et présentant l'inconvénient qu'il se formerait un rayon diffusé minimal sur ce diaphragme de zone partielle formant miroir en raison des défauts de surface (rugosité, etc.). La focalisation du faisceau de rayon entrant pourrait par exemple être réalisée par une lentille, ce qui ne permettrait pas en tous cas d'éviter une certaine proportion de lumière diffusée. Seule la combinaison des deux dispositions mentionnées ci-dessus en un seul système entraîne l'élimination des inconvénients rencontrés en utilisant séparément les deux dispositions. La minimisation de lumière diffusée lorsque l'mon diaphragme peut de préférence se réaliser en utilisant une ouverture. L'ouverture est à cet effet ménagée dans un corps optiquement actif sur lequel est focalisé le faisceau de rayons entrant à l'emplacement qui dans le cas contraire exercerait une action optique sur la zone partielle à diaphragmer correspondant A la zone partielle qui n'est pas à diaphragmer. l1 En raison de l'ouverture (orifice ou perçage) la zone partielle à diaphragmer, contrairement au reste du rayon entrant, n'est soumise à aucune action optique sur le corps optiquement actif, de sorte que l'on sépare, en minimisant le rayonnement diffusé, le rayon d'entrée à diaphragmer et le rayon d'entrée dont il faut former l'image. Ceci résulte d'abord de ce qu'une partie du rayon plus intense à diaphragmer reste non influencée optiquement par le diaphragme. Ceci est la différence qui caractérise l'invention par rapport aux procédés à diaphragme de zone partielle utilisés jusqu'ici, qui pour diaphragmer influencent aussi optiquement des fractions à rayonnement plus intense. Un autre avantage, important lorsque l'on diaphragme une zone partielle par une ouverture, est que l'on évite d'influencer thermiquement le système formant image par un échauffement local lorsque l'on diaphragme une zone partielle d'une source importante. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux la zone partielle diaphragmée à travers l'ouverture est amenée dans un système optique qui se trouve derrière l'ouverture destinée à la réalisation de l'image de sorte que l'on peut avec un dispositif unique amener la. formation d'image tant de la zone partielle diaphragmée que de la zone partielle non diaphragmèe. Il en résulte pour la première fois la possibilité après amplification ou réduction d'un zone partielle de ramener pour la formation d'image les deux zones partielles ultérieurement en une zone commune. Xais dans la zone diaphragmée on peut ayssi de façon avantageuse superposer d'autres formations d'images. Celles-ci peuvent être aussi bien des zones de données caractérisantes que par exemple la zone partielle diaphragmée fortement réduite en intensité. La minimisation de lumière diffusée lorsque l'on diaphragme résulte de façon avantageuse de ce que l'on diaphragme une zone partielle sur un miroir. On focalise de cette façon le rayon entrant limité par un filtre d'entrée en direction du miroir. On diaphragme alors la zone partielle sur le miroir, le chemin optique non diaphragmé étant envoyé dans une direction dans laquelle il peut être utilisé pour former une image ultérieurement. En diaphragmant par zone partielle sur un miroir on atteint l'avantage important que la partie réfléchie du rayon qui sert à former 1C l'image est déviée de façon telle qu'une minimisation de la lumière diffusée est facile à réaliser. On minimise la lumière diffusée lorsque l'on diaphragme en utilisant un miroir comme objectif d'entrée. Cette structure permet de minimiser le rayon diffusé qui se produit sur toutes les surfaces optiquement actives en ce que seule une surface optiquement active, c'est-à-dire une surface de miroir d'un niveau de poli élevé et donc peu diffusante focalise le rayon d'entrée en direction du diaphragme de zone partielle. Par rapport à l'emploi d'une lentille on évite la deuxième surface de formation d'image avec ses rugosités de surface et les 2c défauts de propreté éventuellement présents ainsi que l'influence inévitable des effets de volume du matériau de lentille (inhomogénéités, contraintes, bulles, inclusions, failles, brunissage, etc.). Cette invention qui minimise la diffusion de rayonnement lors qu'on diaphragme les zones partielles permet une optimisation et par conséquent de très bons rapports pour l'observation de domaines d'observation à faible lumière, qui ne seraient pas visibles si l'on ne diaphragmait pas la zone à forte lumière. En particulier en employant des miroirs au lieu des lentilles uniques ou des systèmes de lentilles connus, on obtient une 3C transmission élevée et on évite de plus les défauts de coloration. Pour diaphragmer avec précision, la zone à diaphragmer doit être focalisée et placée sur le diaphragme de zone partielle. Il est avantageux à cet effet de pouvoir exécuter à l'aide de l'un des miroirs une variation de position (déplacement triazial, déplacement biaxial, ou 3 déplacement monoaxial, dans lequel un déplacement modifie la distance parallèlement à l'axe optique). On décrit ci-après l'invention en se servant de l'exemple d'un coronagraphe. Les coronagraphes sont des instruments optiques grace auxquels on peut observer la couronne solaire de faible intensité surimpressionnée par de la lumière solaire. Le but essentiel que l'on peut atteindre avec un tel instrument est de diminuer la lumière diffusée qui se produit d'une part sur les différentes surfaces, mais d'autre part aussi sur les diverses arêtes dans le chemin optique, par exemple celles de la pupille d'entrée. L'avantage de l'invention est particulièrement significatif lorsqu'on la compare avec un coronagraphe existant, dans lequel un objectif à lentille envoie l'image qu'il crée du soleil sur un petit filtre conique revêtu d'une couche réfléchissante placé sur une lentille de champ, le diamètre de filtre correspondant au diamètre de l'image solaire. Quand on emploie une lentille comme objectif d'entrée, deux surfaces optiquement actives et un corps i5 traversé optiquement agissent sur le rayon entrant avant de diaphragmer la zone partielle. Les deux surfaces optiquement actives peuvent présenter des défauts de propreté de surface comme des éraflures, des fissures de polissage, etc, qui contribuent à la diffusion du rayonnement en s'ajoutant au reste des rugosités de surface dues à C l'usinage. En outre, les effets de volume (inhomogénétiés, bulles, inclusions, brunissage, fluorescence etc.) entraînent aussi une augmentation de la lumière diffusée. Avant que l'image créée par l'objectif ne soit influencée optiquement par la lentille de champ, l'image du soleil est créée par l'objectif et envoyée sur un petit filtre conique revêtu d'une couche réfléchissante qui est fixée sur la lentille de champ, dont la dimension est choisie de façon telle que la lumière solaire est complètement diaphragmée. En règle générale, le filtre conique doit être de dimensions légèrement supérieures à l'image du soleil. L'image claire du disque solaire est réfléchie par ce filtre conique sur la paroi du tube, qui est constituée de façon à engendrer aussi peu de lumière diffusée que possible. Xalgré la très bonne qualité de sa couche réfléchissante le filtre conique s'échauffe donc par rapport à la lentille de champ, de sorte que, par suite de la fixation du filtre conique sur la lentille de champ, il se produit des contraintes d'origine thermique tant par suite de la fixation que par suite du flux thermique du milieu de la lentille vers le bord. Comme ceci signifie une variation dynamique de la lentille, variable en fonction du temps, ces processus qui détériorent l'image ne peuvent pas être pris en compte dans les calculs lors des études. L'échauffement de l'espace intermédiaire entre l'objectif et la lentille de champ par suite de l'absorption de la partie de rayon principal sur les parois du tube agit dans le même sens. Xais une partie de l'image claire du disque solaire est réfléchie sur l'objectif o elle crée sur les surfaces optiques et en raison des effets de volume dans le corps optique actif un rayonnement diffusé en direction de la lentille de champ. En outre, une partie plus faible restante est diffusée par les parois du tube à nouveau en direction de la lentille de champ et de l'objectif, cette dernière fraction créant à nouveau un rayonnement diffusé sur les surfaces et dans le corps optiquement actif. Ces réflexions multiples diminuent le contraste et de cette manière la qualité d'image. On peut de façon plus avantageuse mettre en oeuvre les avantages de l'invention dans un système de miroirs aplanétiques (qui répondent à la condition de sinus) ce qui permet d'atteindre l'absence d'aigrette dans un champ d'image de prés de 3'. 2C Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux les rayons des miroirs employés sont égaux dans un système à trois miroirs. Le miroir primaire et le miroir de collimation sont dans ce cas les éléments d'un miroir imaginaire d'un seul tenant plus important dont n'existent en fait que les zones partielles employées. Il en résulte que l'on peut réaliser des télescopes de coronagraphes à miroir en modifiant des télescopes à miroirs existants. De façon plus avantageuse le diamètre de filtre et/ou l'emplacement des filtres peuvent être déplacés sur l'axe optique. Si l'angle d'ouverture est plus important il faut disposer des systèmes de correction. Ceux-ci peuvent de façon plus avantageuse être constitués d'une plaque de Schmidt, comme dans le miroir de Schmidt. Xais la correction peut aussi être réalisée par la pupille de sortie dan un autre télescope à miroir utilisé comme objectif, ce à quoi les télescopes du type Richey-Chrétien sont particulièrement adaptés. On peut aussi disposer d'un système de correction à lentille pour corriger les erreurs de formation d'image derrière la pupille d'entrée et/ou derrière le télescope à miroir car après le diaphragme de la source principale la création de lumière diffusée n'a plus qu'un effet réduit. Dans un but d'analyse on peut de façon avantageuse amener dans le chemin optique au moins un corps optiquement actif pour modifier la composition spectrale avant ou après la pupille de sortie. Dans un système à trois miroirs le dispositif de déviation de rayon partiel est réalisé de façon plus avantageuse sur le miroir secondaire car on peut dans ce cas atteindre une action de diaphragme extrêmement précise. La formation d'image est de façon plus avantageuse i;C réalisée de l'infini à l'infini avec une image réelle du filtre d'entrée sur le filtre de sortie avec un angle d'ouverture réduit. Il est favorable dans ce cas que le diamètre du filtre de sortie corresponde au maximum au diamètre de l'image du filtre d'entrée. Il est alors plus avantageux de dimensionner le diamètre du filtre de sortie d'une manière telle que la lumière diffusée sortant du bord du filtre d'entrée soit diaphragmée dans tous les cas. On peut alors optimiser le dispositif pour des emplois multiples si l'on peut modifier le diamètre de filtre et/ou la position des filtres sur l'axe optique. Pour un grand nombre d'études optiques et spectroscopiques il est 2C particulièrement avantageux de réaliser un chemin optique parallèle après avoir diaphragé. Xais on peut à l'aide de l'invention observer non seulement la couronne solaire, mais aussi filtrer des étoiles dans des zones célestes définies pour rendre visibles des corps de faible rayonnement situés dans leur voisinage. Les Figures représentent en détail la Figure 1 le chemin optique dfan un coronagraphe à miroirs, la Figure 2 une vue de côté d'une partie du coronagraphe de la Figure 1; la Figure 3 un coronagraphe à très grand rapport d'ouverture. Les Figures 1 et 2 représentent de façon schématique un coronagraphe à miroirs. Après la travesée de la pupille d'entrée 1, le faisceau parallèle 2 de rayons tombe sur le miroir primaire 3 de degré. de polissage élevé, qui ne diffuse guère. Une première image rélle est formée sur le miroir secondaire 4 qui dans ce cas comporte dans sa surface une ouverture 16 de diamètre égal à la dimension de l'image ú solaire. La lumière solaire à éliminer 5 est diaphragmée, par un miroir plan 6 disposé de façon appropriée derrière le miroir secondaire 4, en dehors de l'instrument sous forme de rayon 7. L'image de la couronne contenue dans le rayon 8 avec la zone partielle diaphragmée 11 forme par contre une image à l'infini par le miroir de collimation 9, Entre le miroir de colllimation 9 et le système 13 à deux miroirs qui est ici un télescope A miroirs de Richey-Chrétien il se forme une deuxième image intermédiaire réelle de la pupille d'entrée 1 dont par une pupille de sortie 10 on enlève la lumière diffusée par la diffraction sur l'arête 1C. de la pupille d'entrée 1. Après le deuxième système 13 à deux miroirs, qui agit comme objectif d'appareil photographique, les rayons parviennent après un système 14 de correction à lentilles sur un détecteur 15. Commee le représente la Figure 1, le miroir primaire 3 et le miroir de collimation 9 peuvent être des parties d'un grand miroir -5 principal 12. Dans leur forme les deux miroirs 3 et 9 sont dans ce cas paraboUiquement hors d'axes et complémentaires l'un de l'autre. Contrairement à un coronagraphe à lentille, qui dans le cas de lumière blanche ne donne qu'un image très mauvaise, on peut utiliser ce coronagraphe à miroirs pour une propreté spectrale élevée tant comme 2C. coronagraphe en lumière blanche que comme coronagraphe mono- chromatique. Le dispositif se distingue par l'existence d'un faisceau de rayons parallèles avec des erreurs d'angle extremement réduites dans le chemin optique. En outre la quantité de lumière diffusée est minimale, puisque seule une surface 3 de miroir est introduite avant de diaphragmer le soleil. La quantité de diffraction de la pupille d'entrée 1 est éliminée à la pupille de sortie 10, car les données du système sont fixées de façon telle qu'un image réelle de la pupille d'entrée 1 est réalisée. Le système 13 à deux miroirs est disposé de manière appropriée après le système de diaphragme 1, 3, 4 et 16, 9 et 10 pour entramîner la suppression des défauts optiques restants des systèmes de diaphragme ou de base. Le réglage fin nécessaire au système de diaphragme peut être réalisé par une variation de position 17 du miroir primaire 3. On peut réaliser une modification de la combinaison spectrale par un filtre 18, qui est rabattu dans le chemin optique grace A une articulation 19, La Figure 3 représente un coronagraphe avec une plaque de Schmidt 21 coane organe de correction. Cette solution permet une observation avec un angle d'ouverture important. Le faisceau de rayons entrant 32 est ici également limité par un filtre 31 agissant comme fenêtre d'entrée de rayon. L'ensemble du dispositif se trouve dans une gaine 22 qui l'entoure qui ne comporte que l'ouverture de sortie 23 pour le rayon 1C 27 diaphragmé, dévié. Le faisceau 32 de rayons entrant est dévié sur le miroir arrière 33 dans la zone 30 en direction du miroir 24 de diaphragme. Après réflexion sur le miroir 24 de diaphragme qui comporte l'ouverture 36, il existe deux rayons 25, 28. Le rayon 25 est diaphragmé et dévié au moyen d'un miroir 26 en formant le rayon 27 en direction de l'ouverture de sortie 23 de la gaine 22 qui forme enveloppe. Le rayon 28 réfléchi sur le miroir à diaphragme 24 est dévié dans une autre zone 29 du miroir arrière 33 en direction de la fenêtre 21 de sortie à plaque de correction. Pour le rayon 27 diaphragmé on peut superposer un autre rayon 38 par un miroir 39 de superposition par une fenêtre 37 d'entrée de rayon. Le rayon sortant 35 qui se compsoe du rayon réfléchi et du rayon entré peut être observé après sa traversée par le filtre 34 de sortie. Revendications 1. Système optique de formation d'image d'un objet en diaphragmant un domaine partiel prédéterminé, caractérisé en ce que ce système comprend un miroir (3, 30) directement frappé par le rayonnement de l'objet pour créer une image intermédiaire, et en ce que dans le plan de cette image intermédiaire est disposé un deuxième élément réfléchissant partie d'image réfléchie. 2. Système optique selon la revendication i, caractérisé en ce que dans le chemin optique du rayonnement 8 provenant de l'élément réfléchissant (4, 24) est disposé un troisième miroir (9, 29) pour dévier le rayonnement dans la partie (13, 14, 15) de système de formation d'image. 3. Système optique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier (30) et le troisième (29) miroirs sont constitués par un miroir principal unique (36). 2C 4. Système optique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le miroir (33) est constitué de manière telle qu'il réalise une image du filtre (1) d'entrée de lumière dans le filtre (10) de sortie. 5. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un rayonnement (38) est superposé dans la zone diaphragmée du faisceau primaire de rayonnement entrant (2). 6. Système optique selon la revendication 3 ou selon l'une ou plusieurs des revendications suivantes, caractérisé en ce que le premier (30) et le troisième (29) mirdirs sont constitués par le miroir principal et le second élément réfléchissant (24) est constitué par le miroir secondaire d'un télescope optique. 7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir secondaire (24) présente un perçage dans la zone du rayonnement à diaphragmer. 8. Système optique selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il est employé cornmme coronagraphe avec un miroir secondaire percé centralement. 9. Système optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le diaphrage (10) de sortie coupe l'image du diaphragme d'entrée (1) pour éliminer la lumière diffusée créée sur le bord du diaphragme (1) d'entrée 10. Système optique selon la revendication 1 ou selon une ou plusieurs des revendications suivantes, caractérisé en ce que la lumière diaphragmée (27) est conduite de façon guidée eh dehors du télescope sans qu'il se produise sur d'autres surfaces optiques de lumière diffusée perturbant l'observation de la zone non diffusée.