Brevet FR2678742A1 — publié le 19930108

La présente invention concerne un système optique à large champ de vision, tel qu'un télescope, destiné à des applications variées comme la détection ou l'analyse spatiale, la détection ou l'analyse multispectrale, en particulier l'étude du comportement de corps rayonnants dans des bandes spectrales d'émission ou de réflexion. Plus particulièrement, l'invention concerne un système à miroirs, qui ne crée donc pas d'aberrations chromatiques. US.A-4 804 258 enseigne un tel système mais constitué exclusivement de miroirs asphériques de correction des aberrations géométriques et de courbure de champ. Ces miroirs sont des éléments d'un coût élevé et dont les tolérances de réglage sont telles que le système de ce document est particulièrement difficile à monter, un miroir asphérique ne possèdant qu'un seul axe de révolution. US.A-4 226 501 enseigne un télescope à miroirs sphériques, avec une première paire de miroirs du type Schwarzchild, mais sans obturation centrale, dont le deuxième miroir convexe forme une image virtuelle, d'autres miroirs sphériques à la suite, pour convertir l'image virtuelle en image réelle, et un miroir plan pour rendre le télescope sans obturation centrale, son axe optique étant unique et rectiligne. La présente invention vise à perfectionner un système optique à miroirs sphériques, ou légèrement asphériques mais de révolution, sans obturation centrale et corrigé des aberrations géométriques, et offrant des possibilités d'exploitation notablement plus étendues que les systèmes de l'art antérieur. A cet effet, le système de l'invention comporte, au-delà d'une pupille d'entrée, au moins un premier, un second, un troisième, un quatrième et un cinquième miroirs de révolution, avec entre eux, et considérés deux à deux, quatre axes optiques, sur lesquels ils sont inclinés, l'un au moins des miroirs étant convexe, les autres concaves, le premier miroir étant concave et le second étant disposé sensiblement au foyer du premier pour créer une pupille interne image réelle de la pupille d'entrée. Grâce à l'invention, et donc du fait de l'accessibilité de la pupille interne et du foyer du premier miroir, on peut y disposer des éléments comme des diaphragmes, pour éviter les images parasites, des filtres, des mires ou même, pour la pupille interne, des éléments asphérisés, avec pour résultat de réduire les résidus d'aberrations géométriques de révolution. Ladite pupille interne peut être disposée entre les quatrième et cinquième miroirs auxquels elle est associée pour corriger l'astigmatisme des miroirs sur les bords du champ. Avantageusement, le miroir convexe est ledit troisième miroir qui est associé au dit quatrième miroir pour corriger l'astigmatisme des miroirs au centre du champ. Avantageusement toujours, les angles d'inclinaison, par rapport à des faisceaux incidents, de faisceaux réfléchis sur lesdits troisième et quatrième miroirs sont de même signe, pour corriger la coma des miroirs. Avantageusement encore, le cinquième miroir est concave et un prisme de correction d'erreur d'inclinaison des miroirs est placé au foyer dudit cinquième miroir. Dans l'une des formes de réalisation du système de l'invention, il est prévu un sixième miroir concave pour recevoir un faisceau dudit cinquième miroir et en réfléchir un autre sur un répartiteur de voies. De préférence, ledit sixième miroir est placé dans un plan image de la pupille d'entrée. Avantageusement, ledit sixième miroir est agencé pour écarter son faisceau réfléchi de son faisceau incident et pouvoir ainsi placer le répartiteur de voies hors du faisceau incident. De préférence, le répartiteur de voies est placé légèrement en amont du foyer dudit sixième miroir. Ledit sixième miroir peut être légèrement asphérisé ou ladite pupille interne comporter une lame transparente ou un miroir excentré, pour corriger l'aberration de sphéricité. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les second et quatrième miroirs sont convexes et la pupille interne est formée sur le cinquième miroir. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de trois formes de réalisation du système de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue schématique de la première forme de réalisation du système de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique du répartiteur de voies du système de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique d'une partie de la deuxième forme de réalisation du système de l'invention et - la figure 4 est une vue schématique de la troisième forme de réalisation du système de l'invention. En référence à la figure 1, la première forme de réalisation du système de l'invention comporte, entre une pupille d'entrée Po et un foyer image F'6 , à proximité duquel se trouve ici un répartiteur optique R, successivement le long du trajet lumineux, un premier miroir S1, un second miroir S2, un troisième miroir S3, un quatrième miroir S4, un cinquième miroir Sg et un sixième miroir La pupille d'entrée Po peut avantageusement être constituée par un miroir de balayage. Les six miroirs S1 - S6 sont des miroirs sphériques, ou quasi-sphériques pour ce qui concerne le sixième, sans obturation centrale, et dont les centres ne sont pas alignés sur un axe unique. Si on considère, par exemple, la paire de miroirs S1, S2 avec S1 comme miroir principal et S2 comme miroir secondaire, avec un faisceau provenant de la pupille Po, le miroir S2 est décalé hors du faisceau incident sur le miroir S1. Le miroir S2 n'est pas un miroir centré, il laisse dégagée la partie centrale, la plus intéressante car de meilleure qualité, du faisceau incident ; le miroir S1 est ainsi sans obturation centrale. Les autres miroirs, considérés comme miroirs principaux en association avec un miroir secondaire, sont aussi sans obturation centrale. En d'autres termes, tous les miroirs sont hors de tous les faisceaux autres que leur faisceau incident.Chaque miroir secondaire d'un miroir principal du système étant décalé, chacun des miroirs, considéré comme miroir principal, est incliné sur l'axe optique de son faisceau incident (S1 sur al, S2 sur a2, S3 sur a3, S4 sur a4, Sg sur a5, S6 sur a6) pour le réfléchir sur son miroir secondaire associe. L'inclinaison d'un miroir sur un axe optique brisé rompt la symétrie de révolution du système en ligne à axe optique unique et crée de nouvelles aberrations dites d'excentrement. Ces aberrations sont corrigées par une disposition et une inclinaison particulières des miroirs. Les principales aberrations à corriger ici sont l'astigmatisme et la coma. L'astigmatisme est une aberration d'ordre pair, la coma, d'ordre impair, c'està-dire que l'écart de surface d'onde, pour l'astigmatisme, est un polynôme en puissances paires de l'angle i de l'inclinaison génératrice de l'aberration et, pour la coma, un polynôme en puissances impaires de l'angle o( . Pour la coma, le signe de l'angle d'inclinaison n'est donc pas indifférent, contrairement à l'astigmatisme, pour lequel c'est la valeur absolue des angles d'inclinaison qui compte. L'astigmatisme d'un miroir convexe étant de signe opposé à celui d'un miroir concave, le système possède au moins un miroir convexe. Dans l'exemple considéré de la figure 1, tous les miroirs sont donc concaves, sauf le miroir S3 qui est convexe. Les inclinaisons o( 1 et i 5, par rapport aux faisceaux incidents, des faisceaux réfléchis sur les miroirs S1 et S5, sont ici orientées dans le sens trigonométrique direct ; les inclinaisons &alpha; 2, OC &alpha; 4 et &alpha; 6 des miroirs S2, S3, S4 et S6 sont orientées dans le sens indirect. Important est ici le fait que le signe des inclinaisons et 3 et 4 soit le même, grâce à quoi la coma de tous les autres miroirs est corrigée. Les miroirs S3 et S4 du système permettent donc de corriger l'astigmatisme et la coma, mais pour le centre du champ. Pour les bords du champ, l'astigmatisme est corrigé par les miroirs concaves S4 et Sg et, entre ceux-ci, une première pupille interne P'4, dans un premier plan image de la pupille d'entrée Po. Il en est ainsi dans l'exemple considéré, car le miroir S2 est pratiquement au foyer image F'1 du miroir S1, précisément pour former l'image réelle de la pupille Po où on le désire et, ici, dans le plan de P'4. Le miroir concave Sg est prévu pour assurer une convergence finale du faisceau sur un second foyer image F'5, entre les deux miroirs Sg et S6, ce dernier se trouvant dans un deuxième plan P'5 image de la pupille d'entrée Po et servant ainsi de pupille interne. F'5 est un foyer accessible car hors des trajets des faisceaux entre S4 et Sg, d'une part, et S6 et F'6, d'autre part. Le miroir concave S6 est prévu pour écarter par l'inclinaison &alpha; 6 le faisceau analysé a7 du faisceau a6 réfléchi par le miroir Sg, en d'autres termes, pour assurer un "grand tirage final" entre ce faisceau réfléchi par S5 et un troisième foyer image F'6, ici virtuel, légèrement en amont duquel se trouve le répartiteur R, tirage ici d'une distance supérieure à la moitié de la focale. Le grandissement du miroir S6 est sensiblement égal à -1 : il n'est pas générateur de coma et son astigmatisme est corrigé avec celui des autres par S3. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, à six miroirs, de nombreuses applications sont possibles en raison de l'accessibilité des trois foyers intermédiaires F'1, F'5 et F'6 et des deux pupilles internes d'encadrement de faisceau P'4 et P'5 où l'on peut disposer des diaphragmes, des filtres, des mires ou des éléments asphérisés dans le cas des pupilles. Le répartiteur R (figure 2), légèrement en amont du foyer virtuel F'6 ,comporte, en cascade, un miroir M1 et deux lames semi-transparentes M2, M3, ici dichroïques, pour diviser ou répartir le faisceau réfléchi en trois voies différentes V1, V2, V3 et procèder à une analyse dans les bandes spectrales correspondantes. L'un des trois foyers réels F'6 en aval de la lame M3, a été représenté sur la figure 2. Si on veut disposer d'une voie supplémentaire, à la place de M1 , on dispose une lame semi-transparente. Au lieu du répartiteur R, on aurait pu placer un récepteur à l'unique foyer F'6. En réalité, la finalité du miroir S6 est de créer le troisième foyer F'6 pour y placer les miroirs M1 - M3 de répartition de voies. En ce sens, il n'est donc pas indispensable. Mais si on le prévoit, il faut prendre garde à ce qu'il ne crée pas une troisième aberration géométrique, l'aberration de sphéricité. A cet effet, on peut soit légèrement l'asphériser, soit, s'il reste sphérique, légèrement asphériser une lame transparente ou un miroir excentré placé dans la pupille interne P'4. On notera que si on n'utilise pas le miroir l'éclatement du faisceau, ici, en trois voies, n'est pas strictement impossible mais il est rendu difficile. Rendre le miroir S6, au départ sphérique, légèrement asphérique, est une opération assez facile pour un polisseur avisé. On se bornera à noter qu'il suffit, pour éviter l'aberration de sphéricité, d'usiner la sphère de départ pour obtenir, non pas un miroir parabolique d'excentricité ss = -1, mais un miroir représenté par une quadrique d'excentricité = -0,1, dixième de celle du miroir parabolique. A titre d'exemple, non limitatif, un télescope a été réalisé avec des paramètres indiqués dans le tableau ci-dessous, dans lequel les rayons r des surfaces de miroir et les espaces d'air e' entre le miroir, ou la pupille d'entrée Po, considéré et le miroir suivant sont exprimés en mm, chaque espace d'air e' suivant un miroir d'ordre impair ayant une longueur négative et chaque angle d'inclinaison i = S~1S. SS+1, entre un faisceau incident et le faisceau réfléchi sur un miroir S considéré, ayant une valeur positive, en degrés, quand il est orienté dans le sens trigonométrique direct Surfaces r (mm) e' (mm) &alpha; (") Po 1872 S1 -6001 -2923 16 4872,6 2729 53 1807,2 -1075 -56,8 S4 3075,2 2468 -16,14 -1616 -2217 12 1481,6 1496 -8,66 L'excentricité de la surface du miroir S6 est égale à - 0,1 ; la distance focale du télescope est de 400 mm et le diamètre de Po est de 90 mm ; les distances SF' entre les foyers accessibles F' et leurs miroirs associés S sont, en mm, S2 F'1 = 0 S5 F'5 = 748,8 S6 F'6 = 1496 Les distances SP' entre les pupilles internes accessibles P' et leurs miroirs associés S sont, en mm, S4 P'4 = 1196 S6 P'5 = 0 Dans la pratique, les longueurs du tableau ci-dessus sont réduites grâce à des miroirs plans disposés sur les différents faisceaux, la dimension hors-tout ne dépassant pas 2 à 3 m. Dans la deuxième forme de réalisation du système de l'invention (figure 3), un prisme T est disposé sur le trajet du faisceau entre les miroirs Sg et S6, au foyer F'5 pour corriger les effets des angles d'inclinaison (tilts) des miroirs. Du fait de l'inclinaison des miroirs, le rayon principal du faisceau du centre du champ n'est pas perpendiculaire au plan du maximum de netteté de l'image. Le prisme T redresse le plan image par rapport au rayon principal et pallie ainsi les effets dûs à l'inclinaison des miroirs sur l'inclinaison du plan image. On peut aussi vouloir disposer un miroir supplémentaire entre le prisme T et le miroir S6 pour éviter que le rayon central réfléchi sur le miroir S6 et issu du rayon incident ne soit rabattu vers la base du prisme T et ne coupe le faisceau entre les miroirs S4 et Sg. Les paramètres r et e' du système de la figure 3, tel qu'effectivement réalisé, sont identiques à ceux de la première forme aussi effectivement réalisée, à l'exception de ceux relatifs aux trajets en aval du miroir S5 : : Surfaces r (mm) e' (mm) -1616 -744,6 T -1466,7 S6 1481,6 1498 Quant aux angles d'inclinaison, ils ont les valeurs suivantes, en degrés : &alpha;1 = 16, i 2 = -53,1 3 3 = -14,3, &alpha; 4 4 = 12 et &alpha; 5 = -8,3. L'excentricité de la surface du miroir S6 est ici égale à -0,11 ; l'épaisseur moyenne du prisme T est de -8,5 mm et son angle de 8 degrés. Dans le cas de la présence du répartiteur R, on peut lui associer des récepteurs optroniques, des sources ou des mires avec la possibilité de transformer le télescope multispectral en double auto-collimateur. La troisième forme de système de l'invention, représentée sur la figure 4, est assez similaire à la première forme de la figure 1. Elle s'en distingue toutefois par des caractéristiques qui vont être soulignées ci-après. Le système de la figure 4 comporte, entre une pupille d'entre P10 est un foyer image F'16 , successivement le long d'un axe optique brisé al1, a12 a13 a14 a15, a16, a17, six miroirs de révolution S1l, S12, S13, S14, S15, sphériques, et S16, asphérisé. Les deux mirois S12 et S14 sont convexes, les autres, concaves. Le miroir S12 est disposé au foyer du premier miroir S1l, ou a proximité de ce foyer, le miroir S11 formant, d'un objet à l'infini, une image réelle sur le miroir S12. Le miroir convexe S12 forme une image de la pupille d'entrée P10 sur le miroir S15 constituant ainsi une pupille interne. Les signes des six angles d'inclinaison 11 '0(16 sont alternativement positifs et négatifs. Les comas de même signe créées par les miroirs S1l, S13, S14, S15 s'opposent à la coma créée par le miroir S16. L'astigmastisme des miroirs S1l, S13, S15, S16 est corrigé dans tout le champ par l'astigmatisme opposé du miroir convexe S14. Le miroir S16 est légèrement asphérisé, avec une excentricité de -6,4, pour ne limiter les possibilités du système que par la diffraction, depuis le spectre visible. Le tirage final entre les faisceaux réfléchis par les miroirs S15 et S16 permet de faire usage d'un répartiteur, non représenté, à deux ou trois voies. La forme de réalisation de la figure 4 présente l'avantage, par rapport à celles des figures 1 et 3, d'être plus compacte et de ne pas nécessiter de prisme de correction d'erreur d'inclinaison. Un septième miroir de grand tirage final peut être aussi ajouté au système. Les paramètres du système de la figure 4, tel qu'effectivement réalisé, sont indiqués dans le tableau ci-dessous Surfaces r (mm) e' (mm) &alpha; ( ) P10 1509 S11 - 1222,8 - 600 16,7 S12 - 711,1 1750 - 24 S13 - 2208,1 - 1047 15,6 S14 - 2216 960,8 - 34,5 S15 - 3717 - 986,8 14,9 S16 2132 786,8 - 14 Revendications 1. Système optique à miroirs de révolution, sans obturation centrale et corrigé des aberrations géométriques, caractérisé par le fait qu'il comporte, au-delà d'une pupille d'entrée (Po;P10), au moins un premier (S1;Sll), un second (S2;S12), un troisième (S3;S13), un quatrième (S4;S14) et un cinquième (S5;S15) miroirs de révolution, avec entre eux, et considérés deux à deux, quatre axes optiques (al-a4;all-al4) sur lesquels ils sont inclinés, l'un (S3;S12,S14) au moins des miroirs étant convexe, les autres concaves, le premier miroir étant concave et le second (S2;S12) étant disposé sensiblement au foyer (F'1) du premier (S1;S11) pour créer une pupille interne (P'4;;S15) image réelle de la pupille d'entrée (Po). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ladite pupille interne (P'4) est disposée entre les quatrième (S4) et cinquième (S5) miroirs auxquels elle est associée pour corriger l'astigmatisme des miroirs sur les bords du champ. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le miroir convexe est ledit troisième miroir (S3) qui est associé au dit quatrième miroir (S4) pour corriger l'astigmatisme des miroirs au centre du champ. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les angles d'inclinaison (&alpha; 3, &alpha; 4), , par rapport à des faisceaux incidents, de faisceaux réfléchis sur lesdits troisième (S3) et quatrième (S4) miroirs sont de même signe, pour corriger la coma des miroirs. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le cinquième miroir (S5) est concave et un prisme (T) de correction d'erreur d'inclinaison des miroirs est placé au foyer (F'5) dudit cinquième miroir (5). 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel il est prévu un sixième miroir concave (S6) pour recevoir un faisceau dudit cinquième miroir (S5) et en réfléchir un autre sur un répartiteur de voies (R). 7. Système selon la revendication 6, dans lequel ledit sixième miroir (S6) est placé dans un plan image (P'5) de la pupille d'entrée (Po). 8. Système selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel ledit sixième miroir (S6) est agencé pour écarter son faisceau réfléchi (a7) de son faisceau incident (a6) et pouvoir ainsi placer le répartiteur de voies (R) hors du faisceau incident (a6). 9. Système selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le répartiteur de voies (R) est placé légèrement an amont du foyer (F'6 > dudit sixième miroir (S6). 10. Système selon l'une des revendications 6 à 9 dans lequel des moyens (S6) sont prévus pour éviter l'aberration de sphéricité dudit sixième miroir (S6). 11. Système selon la revendication 1, dans lequel les second (S12) et quatrième (S14) miroirs sont convexes. 12. Système selon la revendication 11, dans lequel ladite pupille interne est formée sur le cinquième miroir 13. Système selon l'une des revendication 11 et 12, dans lequel les signes des angles d'inclinaison (o(ll &alpha;16) sont respectivement alternés.