Brevet FR2818757A1 — publié le 20020628

Architecture optique de télescope d'observation et en particulier pour observation de la Terre à partir d'un satellite. L'invention concerne une architecture optique de télescope d'observation à grand champ et en particulier un télescope destiné à être installé à bord d'un véhicule. Ce véhicule est par exemple un satellite spatial exploitant le télescope à des fins d'observation zonale terrestre, comme prévu par exemple par le programme d'observation SPOT. Comme il est connu, les exigences, en matière d'observation depuis un satellite, qui sont actuellement demandées, impliquent par exemple une résolution spatiale d'observation sur une zone de quelques mètres, prise au niveau d'un champ de l'ordre de quarante à soixante kilomètres. Il est par ailleurs souhaité que le télescope n'ait pas d'obturation centrale, une telle obturation étant présente, comme il est connu avec certaines architectures de télescope. Ces exigences en matière d'observation et d'absence d'obturation sont susceptibles d'être respectées par les télescopes anastigmates à trois miroirs, classiquement désignés par l'acronyme TMA (pour "three mirrors anastigmat). Une architecture optique connue et appropriée de télescope anastigmate à trois miroirs est illustrée sur les figures 1 et 2. Ce télescope comporte un premier miroir 1, asphérique, concave et taillé hors axe, c'est-à-dire sans symétrie de révolution, qui réfléchit le faisceau de manière qu'il converge légèrement vers un second miroir 2, comme on le voit sur les figures 1 et 2. Ce miroir 2 est asphérique, convexe et taillé hors axe, sauf si la pupille du télescope est située à son niveau, il est alors obtenu à partir d'une forme déformée de sphère. Le faisceau qu'il reçoit est renvoyé sous la forme d'un faisceau divergent, vers un troisième miroir 3 comme le montre également les deux figures évoquées ci-dessus. Ce miroir 3 est asphérique, concave et taillé hors axe. Il reçoit le faisceau divergent réfléchi par le miroir 2 qu'il focalise au niveau d'un plan focal PF désaxé. L'ensemble formé par les trois miroirs 1, 2 et 3 constitue un système optique anastigmatique de formation d'image, dans lequel le champ d'image est désaxé. Un tel système est encombrant avec, par exemple, des dimensions L1, L2 et L3, telles qu'illustrées sur les figures 1 et 2, qui sont respectivement égales à 550 mm, 900 mm et 400 mm, pour un télescope à pupille de 160 mm et focale de 610 mm. Un tel télescope TMA a plusieurs inconvénients, il implique la réalisation d'au moins deux miroirs asphériques concaves, taillés hors d'axe, qui sont coûteux, dans la mesure o ils sont longs et délicats à réaliser. L'ensemble obtenu est lourd ce qui est inconvénient certain pour un équipement destiné à être embarqué dans un satellite spatial. De plus l'architecture optique définie pour le télescope est sensible aux excentrements. L'invention propose donc une architecture optique de télescope d'observation et en particulier une architecture pour télescope à grand champ. Une telle architecture est avantageusement prévue pour être embarquée à bord d'un véhicule et en particulier à bord d'un satellite spatial à des fins d'observation zonale terrestre. Selon une caractéristique de l'invention, cette architecture optique de télescope comporte: - un miroir, asphérique ou éventuellement sphérique, concave et hors axe, qui réfléchit de manière convergente le faisceau constitué par le rayonnement qu'il reçoit d'une zone terrestre qu'il observe; - un correcteur d'ouverture, dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir; - un correcteur de champ, dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir, en aval du correcteur d'ouverture par rapport à ce miroir. - une pupille positionnée sur le trajet du faisceau convergent réfléchi, de manière à permettre d'obtenir un champ de vue hors axe optique évitant la présence d'une obturation centrale. Selon une variante de l'invention, I'architecture optique de télescope comporte: - un miroir, asphérique ou éventuellement sphérique, concave et hors axe qui permet de prendre deux images avec une séparation angulaire déterminée et qui réfléchit de manière convergente chacun des deux faisceaux constitués par les rayonnements qu'il reçoit d'une zone terrestre qu'il observe; - un correcteur d'ouverture, dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis par le miroir; - un correcteur de champ dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis par le miroir, en aval du correcteur d'ouverture par rapport à ce miroir. - une pupille positionnée sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis, de manière que deux champs de vue soient obtenus en évitant une obturation centrale, ladite pupille étant agencée pour laisser passer simultanément les deux directions de visée correspondant chacune à l'un des faisceaux réfléchis. Selon une forme de réalisation commune aux deux architectures selon l'invention, la pupille est placée sur la face du correcteur d'ouverture qui reçoit le ou les faisceau(x) convergent(s) réfléchi(s) par le miroir. Le correcteur d'ouverture et le correcteur de champ sont des correcteurs athermiques, sans puissance ou quasiment sans puissance. Le correcteur d'ouverture et le correcteur de champ sont respectivement constitués chacun de lentilles d'au moins deux types de verre différents. Le choix des indices des verres d'au moins un des correcteurs est exploité pour prendre en compte les variations occasionnées par la température. Selon une forme de réalisation de l'invention, il est aussi prévu un mécanisme de refocalisation agissant sur les lentilles du correcteur de champ. Selon une forme de réalisation de l'invention, il est prévu un auxiliaire intervenant au niveau du faisceau, tel qu'un éclateur spectral, à prismes dichroiques et divolis, permettant de le partager spectralement, un dérotateur d'image, ou une lame séparatrice permettant de diviser le faisceau pour obtenir des images dans des plans focaux différents. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous. Les figures 1 et 2 correspondent respectivement à une vue selon un plan YZ et à une vue selon un plan XZ du télescope TMA, connu, succinctement évoqué ci- dessus. Les figures 3 et 4 correspondent respectivement à une vue selon un plan YZ et à une vue selon un plan XZ du télescope, selon l'invention. La figure 5 est une vue relative à une variante de réalisation du télescope selon l'invention pour application stéréo. L'architecture optique de télescope d'observation illustrée sur les figures 3 et 4 est destinée à être substituée à celle présentée sur les figures 1 et 2. A cet effet, le télescope selon l'invention comporte un premier miroir 5, asphérique ou éventuellement sphérique, concave et hors axe qui réfléchit de manière convergente le faisceau constitué par le rayonnement qu'il reçoit d'une zone terrestre qu'il observe. Le deuxième et le troisième miroir d'un télescope TMA sont ici remplacés par des correcteurs dioptriques qui sont corrigés des aberrations chromatiques. A cet effet, un correcteur d'ouverture 6, dioptrique et achromatique, qui est sans puissance ou quasiment sans puissance, est inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir 5. Ce correcteur est constitué d'au moins deux lentilles 6A, 6B, constituées de types de verre différents, pour corriger le chromatisme. Des tels verres existent dans le commerce.. La pupille 7 du télescope est préférablement placée sur la face avant du correcteur d'ouverture 6 qui reçoit le faisceau convergent réfléchi par le miroir 5. La présence d'une obturation centrale est évitée par un choix judicieux de la direction de visée ou autrement dit du champ de vue. Un correcteur de champ 8, dioptrique et achromatique, sans puissance ou quasiment sans puissance, est inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir 5, en aval du correcteur d'ouverture 7 par rapport à ce miroir 5. Ce correcteur de champ 8 est lui aussi constitué de lentilles d'au moins deux types de verre pour corriger le chromatisme, trois lentilles 8A, 8B, 8C, supposées constituées de types de verre différents, étant présentées sur les deux figures 3 et 4. Le choix des indices respectifs des verres peut être exploité pour permettre de prendre en compte les variations occasionnées par la température. L'architecture optique réalisée présente l'avantage de permettre une implantation aisée d'un miroir de changement de visée. Elle a aussi pour avantage de faciliter l'alignement des éléments constitutifs du télescope que constituent le miroir et les correcteurs. Elle permet la refocalisation de manière simple, au moyen d'un mécanisme permettant de déplacer les lentilles du correcteur de champ. L'alignement est facilité par le fait que le télescope dispose d'un axe commun Elle permet également l'utilisation d'auxiliaires permettant d'intervenir au niveau du faisceau, selon les applications visées et par exemple d'associer au télescope un éclateur spectral, un dérotateur, une lame séparatrice... L'éclateur spectral est par exemple un éclateur à prismes dichroïques et diviseurs optiques en ligne, ou divolis, qui permet de diviser un faisceau reçu par domaines spectraux. Le dérotateur permet une rotation d'image par exemple pour que les images successivement obtenues au cours d'un déplacement et donc en particulier d'un déplacement en orbite, soient maintenues dans une même direction tenant compte de la vitesse du véhicule portant le télescope. La lame séparatrice est exploitable pour partager le flux qu'elle reçoit par exemple pour obtenir des images dans deux plans focaux différents. Les dimensions L'I, L'2 et L'3, telles qu'illustrées sur les figures 3 et 4, qui sont susceptibles d'être obtenues pour un télescope à pupille de 160 mm et focale de 610 mm, peuvent être de, respectivement, 300 mm, 800 mm et 300 mm. Une réduction significative de l'encombrement du télescope est donc obtenue, en particulier latéralement, la masse du télescope est bien entendu plus faible que précédemment, les lentilles mises en ceuvre avec le premier et seul miroir faible que précédemment, les lentilles mises en oeuvre avec le premier et seul miroir étant bien plus légères que les deux miroirs du télescope TMA auxquelles elles se substituent. La réduction dimensionnelle et la simplification de l'architecture optique est par nature moins génératrice de lumière parasite que celle d'un télescope TMA, de plus, elle facilite la réalisation des baffles de protection contre les signaux parasites. L'architecture optique proposée permet d'obtenir un télescope qui est moins sensible aux excentrements qu'un télescope TMA. Selon une variante de l'invention, I'architecture optique de télescope décrite ci-dessus peut être exploitée pour permettre l'obtention d'images stéréoscopiques. Le télescope, selon cette variante de l'invention, comporte alors un miroir 9, asphérique ou éventuellement sphérique, concave et hors axe, dont la forme se rapproche de celle d'un haricot, permettant de prendre deux images avec une séparation angulaire déterminée, par exemple de l'ordre de dix degrés, qui est adaptée à la mission à réaliser. Un correcteur d'ouverture 10 et un correcteur de champ 1l 1 sont associés au miroir 9. Les deux correcteurs sont des correcteurs dioptriques et achromatiques, composés chacun de lentilles d'au moins deux types de verre. Ces correcteurs sont sans puissance, au moins pratiquement, et leur disposition par rapport au miroir 9 correspond à celle des correcteurs 6 et 8 par rapport au miroir 5 qui a été décrite plus haut. La pupille 12 du télescope est préférablement située placée sur la face avant du correcteur d'ouverture 10 qui reçoit le faisceau convergent réfléchi par le miroir 9, elle présente elle aussi une forme oblongue pour laisser passer simultanément deux directions de visée, comme illustré sur la figure 5. Deux images sont simultanément obtenues par le même télescope, avec une même focale et les mêmes types de défaut pour chacun d'elles, et en conséquence d'avoir un même facteur d'échelle. Le correcteur d'ouverture 10, le correcteur de champ 1 1 et la pupille 12 sont communs aux deux directions de visée. Deux barrettes ou matrices réceptrices 13 et 14 disposées perpendiculairement au plan de la figure 5 permettent de récupérer les deux images simultanément obtenues dans le plan focal PF. REVENDICATIONS 1. Architecture optique de télescope d'observation, en particulier pour télescope destiné à être installé à bord d'un véhicule, tel qu'un satellite spatial, à des fins d'observation zonale terrestre, caractérisé en ce qu'elle comporte: - un miroir (5), asphérique ou éventuellement sphérique, concave et hors axe, qui réfléchit de manière convergente le faisceau constitué par le rayonnement qu'il reçoit d'une zone terrestre qu'il observe; - un correcteur d'ouverture (6), dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir; - un correcteur de champ (8), dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet du faisceau convergent réfléchi par le miroir, en aval du correcteur d'ouverture par rapport à ce miroir. - une pupille (7) positionnée sur le trajet du faisceau convergent réfléchi de manière à permettre d'obtenir un champ de vue hors axe optique évitant la présence d'une obturation centrale. 2. Architecture optique de télescope d'observation, en particulier pour télescope destiné à être installé à bord d'un satellite spatial à des fins d'observation zonale terrestre, caractérisé en ce qu'elle comporte: - un miroir (9), asphérique ou éventuellement sphérique, concave et fonctionnant hors de l'axe, qui permet de prendre deux images avec une séparation angulaire déterminée et qui réfléchit de manière convergente chacun des deux faisceaux constitués par les rayonnements qu'il reçoit d'une zone terrestre qu'il observe; - un correcteur d'ouverture (10), dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis par le miroir; - un correcteur de champ (11) dioptrique et achromatique, inséré sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis par le miroir, en aval du correcteur d'ouverture par rapport à ce miroir. - une pupille (12) positionnée sur le trajet des faisceaux convergents réfléchis de manière que deux champs de vue soient obtenus en évitant une obturation centrale, ladite pupille étant agencée pour laisser passer simultanément les deux directions de visée correspondant chacune à l'un des faisceaux réfléchis. 3. Architecture optique de télescope, selon la revendication 1, la pupille (7) est placée sur la face avant du correcteur d'ouverture (6) qui reçoit le ou les faisceau(x) convergent(s) réfléchi(s) par le miroir. 4. Architecture optique de télescope, selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le correcteur d'ouverture (6) et le correcteur de champ (8) sont athermiques et sans puissance ou quasiment sans puissance. 5. Architecture optique de télescope, selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le correcteur d'ouverture (6) et/ou le correcteur de champ (8) sont respectivement constitués chacun de lentilles d'au moins deux types de verre différents. 6. Architecture optique de télescope, selon la revendication 5, dans laquelle le choix des indices des verres d'au moins un des correcteurs est exploité pour prendre en compte les variations occasionnées par la température. 7. Architecture optique de télescope, selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle il est prévu un mécanisme de refocalisation agissant sur les lentilles du correcteur de champ. 8. Architecture optique de télescope, selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel il est prévu un auxiliaire intervenant au niveau du faisceau, tel qu'un éclateur spectral, à prismes dichroliques et divolis, permettant de le partager spectralement, un dérotateur d'image, ou une lame séparatrice permettant de diviser le faisceau pour obtenir des images dans des plans focaux différents.