Brevet FR2647232A1 — publié le 19901123

La présente invention est relative à une caméra astronomique à haute résolution et à grand champ. Au tournant du siècle, le développement de la photographie astronomique a stimulé la recherche dans deux domaines principaux liés entre eux, à savoir 1) l'amélioration du rendement des détecteurs, c'est-à-dire des émulsions rapides, des photomultiplicateurs et des dispositifs à l'état solide 2) l'augmentation du champ observé (ou angle de champ) utile qui, avec les configurations de télescopes classiques, est sévèrement limitée par les abérrations. La caméra objet de la présente invention se réfère au domaine technique visé sous 2). L'augmentation du champ observé utile des telescopes astronomiques est basee sur deux approches fond: mentales. La première approche cons;ste à introduire un correcteur de champ dioptrique en proximité du foyer. Cette solution convient dans le cas d'optique a grande ouverture, parce que le correcteur doit avoir un diamètre petiot par rapport à l'ouverture du télescope. tes exemples ben connus de cette technique sont représentés par le tripie correcteur ROSS utilisé avec le télescope de l'observatoire PALOMAR et, plus recemment, le correcteur développe par PINNE utilisé avec le télescope de 11 observatoire KITT PEAK. Bien que ces systèmes soient satisfaisants, le champ de bonne définition est toutefois encore limité. Une approche radicalement différente a été ouverte par B. SCHMIDT en inventant la caméra qui porte son nom. Dans la caméra SCHMIDT, une plaque de correction asphérique à grande ouverture est placée dans le centre de courbure d'un miroir sphérique. Les performances de cette caméra sont excellentes sur un champ observé trés étendu. Toutefois, en dépit de ses performances op -tiques, la caméra SCHMIDT présente deux inconvénients principaux : la longueur du tube requise est deux fois la distance focale et le correcteur asphérique est une des surfaces optiques les plus difficiles à fabriquer. Ces deux facteurs rendent la caméra SCHMIDT plutôt encombrante et très coûteuse. Plus récemment des tentatives ont été faites pour remplacer le correcteur asphérique dû à SCHMIDT par des correcteurs à lentilles sphériques à grande ouverture. Ces systèmes sont plus faciles à fabriquer et présentent des bonnes performances sur des champs de dimensions moyennes. La présente invention a pour but de pourvoir a une caméra astronomique à haute résolution et à grand champ, du type basé sur cette dernière catégorie de systèmes optiques, à savoir comportant une optique essentiellement sphérique, qui répond mieux aux nécessités de la pratique que les caméras du même type visant au même but, notamment en ce que - la définition du champ, qui est dé7à excellente dans les caméras de l'Art Antérieur du même type, est encore plus augmentée ; - il est possible de supprimer l'abérration sphérique et la coma du miroir - l'astigmatisme résiduel et la coubure du champ sont également éliminés ;; - il est possible d'introduire une excellente correction de couleur - il est possible d'utiliser du verre de qualité optique économique, qui est donc plus facilement disponible - il est en outre possible de maintenir la longueur du tube dans des limites moyennes, à savoir acceptables. La présente invention a pour objet une caméra astronomique à haute résolution et à grand champ comportant un miroir sphérique et un correcteur de champ constitué par un doublet à grande ouverture, disposé en face du miroir sphérique à une distance de celui-ci voisine de a distance focale de ce miroir, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un correcteur de champ additionnel constitué par un petit doublet également disposé au voisinage du plan focal du miroir, et en ce que les lentilles (11 à 14) dont se composent les deux doublets (10, 20) définissent une combinaison sensiblement afocale. Outre les dispositions qui précédent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suIvre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1 à 3 illustrent l'état de la technique - la figure 4 illustre schématiqueent l'invention en instance (la représentation n'est pas donnée à l'échelle) ; - la figure 5 montre des diagrammes de spots lumineux - I1 doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'obJet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Les figures 1 à 3 représentent trois solutions différentes de l'état de la technique visant à augmenter le champ observé utile d'une caméra astronomique et qui ont été évoqués plus haut. De façon plus précise, la figure 1 représente le correcteur triple de ROSS destiné au télescope de l'observatoire PALOMAR. La figure 2 montre le correcteur WINNE pour le télescope de l'observatoire KITT PEAK. La figure 3 illustre trois réalisations de télescopes anastigmatiques a miroir conique, avec des miroirs ayant une excentricité environ égale à 1 : la figure 3a illustre un miroir éllipsoide, la figure 3b un miroir paraboloïde et la figure 3c un miroir hyperboloïde. Les systèmes illustrés à la figure 3 utilisent des correcteurs à lentilles essentiellement sphériques à grande ouverture évitant ainsi l'emploi du correcteur asphérique de SCHMIDT, ce qui les rend de ccnstructlon facile. La caméra selon la présente invention appar tient à cette dernière catégorie de systèmes optiques, ce qu; signifie qu'elle utilise partout une optique sphérique, et vise a augmenter encore plus la déjà excellente aeflnitlon du champ propre des systèmes illustres à la figure 3.A cet effet, la caméra astronomique obJet de la présente invention utilise, en plus du correcteur, de relativement grandes dimensions, à lentilles sphériques et à grande ouverture constitué par le doublet 10, un correcteur de champ constitué par un doublet 20, de relativement petites dimensions, qui est disposé au voisinage du plan focal d'un miroir sphérique 15 (comme illustré à la figure 4), alors que le doublet 10, à grande ouverture et pratiquement afocal, est disposé en face du miroir sphérique 15, à une distance de celui-ci voisine de la distance focale de ce miroir. L'utilisation du doublet 10 permet d'éliminer l'aberration sphérique et la coma du miroir 15, tandis que l'astigmatisme résiduel et la courbure de champ, sont éliminés par le petit doublet 20. C'est la combinaison des deux doublets 10 et 20 qui corrige les aberrations optiques sur un grand champ. L'excellente correction de couleur, qui est aussi propre de la caméra selon l'invention, est le résultat de la combinaison sensiblement afocale de tous les éléments (lentilles) en verre, pour lesquels il est possible d'utiliser du verre de qualité optique économique, qui est donc facilement disponible, en sorte que l'avantage du coût réduit de la caméra s'a3oute à l'avantage de la facilité de fabrication. Le tableau suivant indique, sous une forme connue des techniciens en la mat;ère et immédiatement exploitable par ceux-ci, les données suffisantes pour la fabrication du système optique de la camera obJet de la présente invention. Dans ce tableau, où toutes les dimensions sont données en millimètwes, la première colonne indique les surfaces optiques 1, 2 et 3, 4 des lentilles 11 et 12, respectivement, qui définissent le doublet 10 ainsi que les surfaces optiques 6, 7 et 8, 9 des lentilles 13 et 14, respectivement, définissant le doublet 20 et la surface optique 5 du miroir 15. Le rayon de chacune de ces surfaces optiques apparaît à la deuxième colonne, alors que la séparation axiale (mesurée suivant l'axe optique du système) existant entre deux surfaces consécutives de la première colonne est donnée à la troisième colonne. En ce qui concerne le matériau dans lequel est réalisé chacune des lentilles 11 à 14, celui-ci est par exemple constitué par un verre de qualité optique classique à base de borosilicate, connu sous la référence BK7. TABLEAU n Surface Rayon Séparation Matériau Diamètre axiale 1 3221,23 - - 20,00 BK7 320,00 2 -6596,59 - - - 6,98 Air - 3 -2659,71- - - 17,45 BK7 320,00 4 11916,67 - - - 1499,04 Air 400,00 5 -3390,85 - - (miroir) -1647,34 Air 6 -214,77 - - - -24,00 BK7 100,00 7 -214,90 - - - -19,37 Air 8 -1196,28 - - I 8 -4,50 BK7 -4,50 t Ar - 9 1199.77 - - - A titre d'exemple non imitatif, on indique ciaprès les données relatives à un mode de réalisation de la caméra - ouverture : 320 n.m - distance focale effective : 1 635, 75 mm - rapport focal : 5,11, - position du foyer en arrière de la dernière surface optique : - 0,29 mm - rayon de la surface.focale : infini (il s'agit donc d'une surface plane). Toutefois, il est possible d'adopter d'autres modes de réalisation ayant des ouvertures et des distances focales différentes, selon les besoins. Les résultats techniques de la présente invention peuvent être appréciés a l'aide de la figure 5, qui illustre des diagrammes de spots lumineux dans lesquels les indications en degrés correspondent à la moitié du champ observé. L'évaluation du système en termes des diagrammes de la figure 5 est obtenue par exploration précise, sous pilotage d'ordinateur, du champ observé, en correspondance du rayonnement situé dans tout le spectre visible et dans le proche infrarouge. On peut remarquer que la dimension de la largeur de bande des diagrammes de spots lumineux ne dépasse pas un second d'arc sur un champ circulaire de 3,5 degrés. Or, cette performance excellente de la caméra selon l'invention est obtenue en utilisant uniquement des surfaces optiques sphériques, des verres de quallté optique économique ainsi qu'un tube de longueur moyenne. De plus, la caméra à haute résolution et à grand champ selon l'invention semble constituer une solution excellente pour la réalisation d'un instrument pour application spatiale qui, dans la therminologie anglosaxone, est appelé "Orbiticg Mapping Instrument (OMI). A cet effet, il est utile de rappeler les spé cifications principales qui sont fixées pour ce type d'instrument et qui sont indiquées ci-après - résolution spatiale : 5 m x 5 m, - génération d'image stéréo : dans la même or bite, - rapport stéréo base/hauteur : supérieur à 0,5, - bande spectrale : 0,5 à 1 iim, - couverture : globale, - altitude d'orbite : environ 800 km, - largeur de la bande de terrain balayé : 60 km maximum, - possibilité de pointage latéral : + 20'. Optiquement ces spécifications se traduisent dans un instrument ayant un champ observé utile de 4' avec une dimension d'image qui n'exèdre pas 1,2 second d'arc. Le diamètre de l'ouverture est dicté par des considérations de rapport signal/bruit et par la dimension de l'image de di fraction (de ce qu'on appelle, dans la therminologie anglosaxone, "Airy Disk"). Une ouverture de 400 mm satisfait aux deux spécifications avec les détecteurs CCD actuellement disponibles (à savoir, avec les systèmes de prise de vue à transfert de charge : "Charges Coupled Devices", selon~ la therminologie anglo-saxone). En ce qui concerne la distance focale de ce télescope, celle-ci est fonction de la dimension des pixels de la CCD : une dimension de pixel de 10 pm, -ce qui est tout à fait possible-, permet d'obtenir une distance focale de 1 600 mm. La dimension linéaire du champ observé est d'environ 120 mm, ce qu; correspond à un dispositif ll- néaire de 12 000 éléments. Or, la caméra obJet de la présente invention remplit parfaitement les spécifications optiques évoquées plus haut, et - il y a lieu de répéter- uniquement en faisant recours a une optique sphérique qul ne requière ni de développements compliques, ni de coût d'application élevé, surtout si l'on compare la solution obJet de la présente invention aux solutions de l'Art Antérieur, notamment au télescope SCHMIDT évoqué plus haut. Pour assurer le respect de la tclérance très étroite qui existe pcur la distance entre le miroir et l'assemblage du plan focal, il se peut que des matériaux avec un très bas coefficient d'expansion thermique, tels que les matières plastiques renforcées par des fibres de carbone, sont susceptibles d'être utilisés en une large mesure. Les estimations préliminaires de la masse du télescope permettent de prévoir pour celui-ci une valeur de 150 kg, ce qui constitue un autre avantage par rapport aux dispositifs actuellement existants, dont la mécanique et l'optique sont beaucoup plus complexes. I1 va de soi que, pour obtenir la possibilité d'une observation stéréoscopique, il suffit d'utiliser deux télescopes du type susdit. Ainsi que cela ressort de ce qui précède1 l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. REVENDICATION 1.- Caméra astronomique à haute résolution et à grand champ, comportant un miroir sphérique (15) et un correcteur de champ constitué par un doublet de relativement grandes dimensions et à grande ouverture (10), disposé en face du miroir sphérique (15) à une distance de celui-ci voisine de la distance focale de ce miroir (15), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un correcteur de champ additionnel constitué par un doublet (20) de relativement petites dimensions, également disposé au voisinage du plan focal du miroir (15), et en ce que les lentilles (11 à 14) dont se composent les deux doublets (10, 20) définissent une combinaison sensiblement afocale.