Brevet FR3066618A1 — publié le 20181123

Télescope anastigmate bifocal à cinq miroirs DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des télescopes, notamment celui des 5 télescopes d'observations embarqués dans des satellites. Plus précisément, le domaine de l'invention concerne les systèmes catoptriques à grandes focales, plus particulièrement bifocal. 10 ETAT DE LA TECHNIQUE Les télescopes spatiaux actuels sont à focale unique. Un type de télescope connu est le télescope de type Korsh 5 à 3 miroirs tel qu'illustré figure 1. Le télescope de type Korsch, également dénommé TMA (acronyme de 15 l'expression anglo-saxonne « Three Mirors Anastigmat ») est un télescope monofocal anastigmat à trois miroirs asphériques (Concave-ConvexeConcave) qui comprend au moins un premier miroir M1 concave, un second miroir M2 convexe et un troisième miroir M3 concave. Les premier, deuxième et troisième miroirs Ml, M2 et M3 sont asphériques, de formes fixes, chaque 20 miroir étant caractérisé par au moins deux paramètres, un rayon de courbure R et une conique c. Les trois miroirs Ml, M2 et M3 sont agencés de sorte que le premier miroir et le second miroir forment d'un objet à l'infini une image intermédiaire disposée dans un plan intermédiaire PFI situé entre le second miroir M2 et le troisième 25 miroir M3, le troisième miroir formant de cette image intermédiaire une image finale dans le plan focal du télescope PF, dans lequel est placé un détecteur D. Un miroir de renvoi MO permet de replier le faisceau pour diminuer l'encombrement. L'image finale dans le plan PF n'est pas inversée. Le télescope présente de manière classique une pupille d'entre PE et une pupille 30 de sortie Ps. Par application des équations de Korsch bien connues de l'homme de l'art on calcule aisément les positions et paramètres respectifs des trois miroirs. La solution théorique est de très bonne qualité sur un champ relativement 3066618 2 important, et compacte, ce qui fait tout l'intérêt de ce type de télescope, particulièrement bien adapté pour réaliser des systèmes à longue focale (>5000 mm) et grande pupille (>300 mm). Par ailleurs il peut être intéressant de pouvoir changer la focale en vol. En effet, changer la focale en vol permet de changer le champ de vue et/ou la résolution de l'image avec un seul et même instrument. Une solution bifocale est déjà intéressante. Les équations de Korsch à 3 miroirs ne permettent pas d'obtenir une solution achromatique et anastigmate pour deux focales différentes à partir d'une même combinaison de miroirs M1/M2/M3. Il existe plusieurs types d'instruments bifocaux. Un premier type repose sur la séparation d'une voie commune en deux voies de focale différente par un composant séparateur 20 tel qu'illustré figure 2. Chaque voie a alors un détecteur dédié, dans l'exemple D1 pour la focale courte et D2 pour la focale longue. La séparation peut se faire de manière spectrale, par exemple visible et IR, 20 le composant 20 est alors une lame dichroïque. La séparation peut également être réalisée pour un même domaine de longueur d'onde, par une lame séparatrice (par exemple 50/50). Ce premier type de système présente l'avantage d'avoir les deux focales en simultané et un champ commun d'observation. Cependant, des composants 25 spécifiques doivent être ajoutés sur chaque voie, y compris les détecteurs, et pour une voie donnée, une partie du flux est perdue. Un deuxième type effectue une séparation dans le champ de vue, tel qu'illustré figure 3. Il s'agit d'une solution bifocal en simultané mais les deux 30 voies n'ont donc pas le même champ de vue et il faut jouter des composants optiques sur chaque voie, un miroir de renvoi M0(1), M0(2), un troisième miroir M3(1), M3(2) et un détecteur D1, D2. Un troisième type de système décrit dans le document US6084727 permet de changer la focale par insertion dans le trajet optique d'éléments réflectifs. 35 On a alors un seul détecteur ert les deux voies ont un champ commun, mais 3066618 3 il faut ajouter 3 miroirs spécifiques à l'une des voies, certains pouvant avoir des dimensions très importantes. De plus la fonction bifocale n'est pas simultanée 5 Un quatrième type de système consiste à réaliser une focale variable par déplacement d'un miroir, tel que décrit dans le document US6333811. Ce document est basé sur un télescope de type Cassegrain avec reprise d'image. Dans une architecture de type Korsch il conviendrait d'ajouter un miroir additionnel de correction pour chaque focale, ainsi que des moyens de 10 déplacement du détecteur ou des moyens de variation du chemin optique sur une des focales. Mais cette solution présente le désavantage de nécessiter le déplacement du miroir de grande dimension M3 pour faire varier la focale. Un but de la présente invention est de palier aux inconvénients précités en 15 proposant un télescope permettant de conserver les avantages d'une architecture de type Korsch classique TMA (aplanétisme et astigmatisme sur un grand champ, compacité, mono-détecteur) et présentant une fonction bifocale obtenue sans déplacement d'un des miroirs faisant partie de la combinaison optique du système d'imagerie. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un télescope anastigmat bifocal à cinq 25 miroirs asphériques comprenant : -un premier miroir concave, un second miroir convexe, un troisième miroir concave et un premier détecteur, communs à une première et une deuxième focale du télescope, - un premier quatrième miroir et un premier cinquième miroir associés à la 30 première focale, et un deuxième quatrième miroir et un deuxième cinquième miroir associés à la deuxième focale, le quatrième et le cinquième miroir associé à une focale étant escamotables, de manière à être disposés sur un chemin optique d'un faisceau correspondant à ladite focale associée lorsque le télescope fonctionne à 3066618 4 ladite focale, et en dehors du chemin optique d'un faisceau correspondant à l'autre focale lorsque le télescope fonctionne à l'autre focale, -les premier miroir et le second miroir étant agencés de manière à former d'un objet à l'infini une image intermédiaire située entre le second miroir et le 5 troisième miroir, -et pour chaque focale : * le troisième miroir ainsi que le quatrième et le cinquième miroir associés à ladite focale étant configurés pour former de cette image intermédiaire une image finale dans un premier plan focal du télescope commun aux deux 10 focales et dans lequel est placé le premier détecteur, *les formes et positions fixes des miroirs associés à ladite focale étant déterminées à partir des équations de Korch généralisées à 5 miroirs, avec la contrainte du premier, deuxième et troisième miroir et du premier plan focal communs aux deux focales, et de manière à optimiser la qualité 15 d'image dans le premier plan focal du télescope selon un critère prédéterminé. Selon un mode de réalisation les premier et deuxième quatrième miroirs sont disposés sensiblement à une même position, et/ou dans lequel les premier et 20 deuxième cinquième miroirs sont disposés sensiblement à une même position. Préférentiellement dans ce mode de réalisation les premier et deuxième quatrième miroirs sont montés sur un premier support unique, la commutation s'opérant par rotation autour d'un premier axe, et/ou dans lequel les premier et deuxième cinquième miroirs sont montés sur un deuxième support unique, la commutation s'opérant par rotation autour d'un deuxième axe. Avantageusement le premier quatrième miroir et le deuxième quatrième 30 miroir présentent un rayon de courbure supérieur à 1000 mm. Avantageusement le critère prédéterminé consiste à minimiser une erreur de forme d'onde. 3066618 5 Selon un mode de réalisation lesdits premier et deuxième quatrième miroirs escamotables sont montés sur un support unique, ledit support comprenant en outre une position pour laquelle aucun des quatrième miroir escamotable ne figure sur le chemin optique du faisceau incident sur ledit support, le 5 faisceau passant alors au travers du support selon un chemin optique secondaire, le télescope comprenant en outre : -un dispositif optique disposé sur le chemin optique secondaire, le dispositif optique étant configuré pour former de ladite image intermédiaire, en combinaison avec le troisième miroir, une image finale sur un deuxième plan 10 focal du télescope correspondant à une focale choisie et pour optimiser la qualité d'image dans le deuxième plan focal selon ledit critère prédéterminé, -et comprenant en outre un deuxième détecteur disposé dans le deuxième plan focal du télescope, et sensible dans une deuxième bande spectrale différente d'une première bande spectrale de sensibilité du premier 15 détecteur. Préférentiellement le dispositif optique fonctionne en transmission dans la deuxième bande spectrale. Avantageusement la première bande spectrale est comprise dans le visible 20 et la deuxième bande spectrale est comprise dans l'infrarouge. Avantageusement la focale choisie présente une valeur inférieure aux première et deuxième focales. 25 Selon un autre aspect l'invention concerne un procédé de détermination de combinaisons optiques d'un télescope bifocal anastigmat à cinq miroirs asphérique, le télescope comprenant : -un premier miroir, un second miroir et un troisième miroir et un premier détecteur disposé dans un premier plan focal communs à une première et 30 une deuxième focale du télescope, - un premier quatrième miroir et un premier cinquième miroir associés à la première focale, les formes et positions respectives des premier, deuxième, troisième, premier quatrième et premier cinquième miroirs formant une première combinaison optique associée à la première focale, 3066618 6 -un deuxième quatrième miroir et un deuxième cinquième miroir associés à une deuxième focale , les formes et positions respectives des premier, deuxième, troisième, deuxième quatrième et deuxième cinquième miroirs formant une deuxième combinaison optique associée à la deuxième focale, 5 le procédé comprenant les étapes consistant à : -A déterminer, à partir des équations de Korsh généralisées à 5 miroirs, une première combinaison optique initiale pour la première focale, le premier miroir étant concave, le second miroir étant convexe, le troisième miroir étant concave, le premier et le second miroirs étant configurés de sorte 10 qu'ils forment d'un objet à l'infini une image intermédiaire située entre le second miroir et le troisième miroir, le troisième, le premier quatrième et le premier cinquième miroirs étant configurés pour former de ladite image intermédiaire une image dans un premier plan focal initial du télescope en optimisant la qualité d'image dans 15 ledit premier plan focal initial selon un critère prédéterminé, -B déterminer, à partir de la première combinaison optique initiale et des équations de Korsh généralisées à 5 miroirs, une deuxième combinaison optique initiale pour la deuxième focale, en modifiant les formes et/ou les positions desdits troisième, premier quatrième et premier cinquième miroirs 20 déterminés à l'étape B, de manière à former de ladite image intermédiaire (lint) une image dans un deuxième plan focal initial du télescope en optimisant la qualité d'image dans ledit deuxième plan focal initial selon ledit critère prédéterminé, -C déterminer, à partir des première et deuxième combinaisons optiques 25 initiales, une première et une deuxième combinaison optique finale par une boucle d'optimisation, avec la contrainte du premier, deuxième et troisième miroirs et du premier plan focal communs aux deux focales, et de manière à optimiser la qualité d'image dans ledit premier plan focal du télescope selon un critère prédéterminé. Préférentiellement les formes respectives du premier quatrième et du premier cinquième miroir déterminés à l'étape A sont imposées sphériques. Avantageusement la première focale est la focale la plus longue. 3066618 7 Préférentiellement forme de miroir est définie par au moins un rayon de courbure et une conique, et dans lequel les modifications de l'étape B consistent, pour le troisième miroir, en la modification de sa conique uniquement, soit sans modifier son rayon de courbure ni sa position. 5 Selon une variante l'étape C s'effectue avec la contrainte additionnelle des positions des premiers et deuxième quatrième miroirs égales, et des positions des premiers et deuxième cinquième miroirs égales. 10 Avantageusement critère prédéterminé consiste à minimiser une erreur de forme d'onde. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard 15 des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 déjà citée illustre une architecture de type Korsch à 3 miroirs classiques. La figure 2 déjà citée décrit un premier type de système bifocal selon l'état de 20 la technique à l'aide d'un composant optique séparateur et présentant deux détecteurs. La figure 3 déjà citée illustre un deuxième type de système bifocal selon l'état de la technique à séparation par le champ. La figure 4 illustre un télescope selon l'invention. 25 La figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un télescope selon l'invention dans lequel le miroir de renvoi est disposé différemment. La figure 6 illustre une variante le télescope selon l'invention qui comprend une voie additionnelle fonctionnant dans une plage de longueur d'onde différente de la plage de fonctionnement de la voie principale du télescope. 30 La figure 7 illustre un support unique pour les premier et deuxième quatrième miroirs escamotables, adapté à la variante du télescope de la figure 6. La figure 8 illustre le procédé de calcul de combinaisons optiques de télescope selon l'invention. La figure 9 illustre la première combinaison initiale issue de l'étape A du 35 procédé selon l'invention. 3066618 8 La figure 10 illustre la deuxième combinaison initiale issue de l'étape B du procédé selon l'invention. La figure 11 12 illustre un exemple des valeurs calculées pour les première et deuxième combinaisons initiales d'un télescope issues respectivement de 5 l'étape A et de l'étape B du procédé selon l'invention. La figure 12 illustre un exemple de combinaison finale d'un télescope selon l'invention issu du procédé selon l'invention. La figure 13 illustre des valeurs calculées pour les première et deuxième combinaisons finales à partir des valeurs des combinaisons CO1i et CO2i de 10 la figure 11. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 Un télescope anastigmat bifocal 10 à cinq miroirs selon l'invention est illustré figure 4. Il présente une première focale f1 et une deuxième focale f2 et comprend un premier miroir M1 concave, un second miroir M2 convexe, un troisième miroir M3 concave et un premier détecteur D, communs à f1 et f2. Les miroirs M1 et M2 qu'ils forment d'un objet à l'infini une image 20 intermédiaire lint située entre M2 et le M3. M1 et M2 sont agencés selon la configuration d'un Korsch à 3 miroirs tel que décrit dans l'état de la technique, et la forme du miroir M3 est légèrement modifiée par rapport au Korsh 3 miroirs correspondant comme il est décrit plus loin. 25 Le télescope 10 comprend également un premier quatrième miroir M41 et un premier cinquième miroir M51 associés à f1, et un deuxième quatrième miroir M42 et un deuxième cinquième miroir M52 associés à f2. Le quatrième miroir et le cinquième miroir associé à une focale (f1 ou f2) sont escamotables, de manière à être disposés sur le chemin optique du faisceau 30 lumineux correspondant à ladite focale associée lorsque le télescope fonctionne à ladite focale, et en dehors du chemin optique d'un faisceau correspondant à l'autre focale lorsque le télescope fonctionne à l'autre focale. Le premier faisceau lumineux LF1 correspondant à l'utilisation à f1 et le deuxième faisceau lumineux LF2 correspondant à l'utilisation à f2 focales 3066618 9 partagent ainsi sensiblement un même chemin optique comme illustré figure 4. En d'autres termes, le télescope présente une première combinaison optique 0C1 pour la focale f1 constituée des formes et positions respectives de 5 M1/M2/M3/M41/M51 et une deuxième combinaison optique 0C2: M1/M2/M3/M42/M52 pour la focale f2. On passe de 0C1 à 0C2 en escamotant les miroirs M4 et M5 de la focale non utilisée et en positionnant les miroirs M4 et M5 de la focale utilisée sur le chemin du faisceau lumineux incident. 10 En outre pour chaque focale le troisième miroir M3 ainsi que le quatrième et le cinquième miroir associés à ladite focale sont configurés pour former de cette image intermédiaire lint une image finale dans un premier plan focal PF du télescope commun aux deux focales f1 et f2 et dans lequel est placé le premier détecteur D. 15 La forme et la position de chaque miroir sont fixes. Elles sont déterminées à partir des équations de Korch généralisées à 5 miroirs avec la contrainte de M1, M2, M3 et PF communs aux deux focales, et de manière à optimiser la qualité d'image dans PF unique du télescope selon un critère prédéterminé. Nous dénommons cette architecture 5MA pour « 5 Mirrors Anastigmat » en 20 anglais. Typiquement le critère prédéterminé consiste à minimiser une erreur de forme d'onde WFE. Les équations de Korsch permettent pour une focale donnée de trouver une solution aplanétique et anastigmat en calculant la position et la forme des 25 miroirs M1, M2 et M3. Le calcul est rigoureux au centre du champ, mais moyennant une optimisation la qualité image peut être excellente dans le champ (généralement champ REVENDICATIONS1. Télescope anastigmat bifocal (10) à cinq miroirs asphériques comprenant : -un premier miroir (M1) concave, un second miroir (M2) convexe, un troisième miroir (M3) concave et un premier détecteur (D), communs à une 5 première (f1 ) et une deuxième (f2) focale du télescope, - un premier quatrième miroir (M41) et un premier cinquième miroir (M51) associés à la première focale (f1), et un deuxième quatrième miroir (M42) et un deuxième cinquième miroir (M52) associés à la deuxième focale (f2), le quatrième et le cinquième miroir associé à une focale étant escamotables, 10 de manière à être disposés sur un chemin optique d'un faisceau correspondant à ladite focale associée lorsque le télescope fonctionne à ladite focale, et en dehors du chemin optique d'un faisceau correspondant à l'autre focale lorsque le télescope fonctionne à l'autre focale, -le premier miroir (M1) et le second miroir (M2) étant agencés de manière à 15 former d'un objet à l'infini une image intermédiaire (lint) située entre le second miroir (M2) et le troisième miroir (M3), -et pour chaque focale : * le troisième miroir ainsi que le quatrième et le cinquième miroir associés à ladite focale étant configurés pour former de cette image intermédiaire une 20 image finale dans un premier plan focal (PF) du télescope commun aux deux focales et dans lequel est placé le premier détecteur (D), *les formes et positions fixes des miroirs associés à ladite focale étant déterminées à partir des équations de Korch généralisées à 5 miroirs, avec la contrainte du premier, deuxième et troisième miroir (M1, M2, M3) et du 25 premier plan focal (PF) communs aux deux focales, et de manière à optimiser la qualité d'image dans le premier plan focal (PF) du télescope selon un critère prédéterminé. 2. Télescope selon la revendication 1 dans lequel les premier et deuxième 30 quatrième miroirs (M41, M42) sont disposés sensiblement à une même position, et/ou dans lequel les premier et deuxième cinquième miroirs (M51, M52) sont disposés sensiblement à une même position. 3066618 19 3. Télescope selon la revendication 2 dans lequel les premier et deuxième quatrième miroirs (M41, M42) sont montés sur un premier support unique, la commutation s'opérant par rotation autour d'un premier axe, et/ou dans lequel les premier et deuxième cinquième miroirs (M51, M52) sont montés sur un deuxième support unique, la commutation s'opérant par rotation autour d'un deuxième axe. 4. Télescope selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier quatrième miroir (M41) et le deuxième quatrième miroir (M42) 10 présentent un rayon de courbure supérieur à 1000 mm. 5. Télescope selon l'une des revendications précédentes dans lequel le critère prédéterminé consiste à minimiser une erreur de forme d'onde (WFE). 15 6. Télescope selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdits premier et deuxième quatrième miroirs escamotables (M41, M42) sont montés sur un support unique (40), ledit support comprenant en outre une position pour laquelle aucun des quatrième miroir escamotable ne figure sur le chemin optique du faisceau incident sur ledit support, le faisceau passant 20 alors au travers du support selon un chemin optique secondaire (80), le télescope comprenant en outre : -un dispositif optique (85) disposé sur le chemin optique secondaire (80), le dispositif optique (85) étant configuré pour former de ladite image intermédiaire, en combinaison avec le troisième miroir (M3), une image finale 25 sur un deuxième plan focal (P'F) du télescope correspondant à une focale choisie (f') et pour optimiser la qualité d'image dans le deuxième plan focal (P'F) selon ledit critère prédéterminé, -et comprenant en outre un deuxième détecteur (D') disposé dans le deuxième plan focal du télescope (P'F), et sensible dans une deuxième 30 bande spectrale (SB2) différente d'une première bande spectrale de sensibilité (SB1) du premier détecteur. 7. Télescope selon la revendication 6 dans lequel le dispositif optique (85) fonctionne en transmission dans la deuxième bande spectrale (SB2). 35 3066618 20 8. Télescope selon les revendications 6 ou 7 dans lequel la première bande spectrale (SB1) est comprise dans le visible et la deuxième bande spectrale (SB2) est comprise dans l'infrarouge. 5 9. Télescope selon l'une des revendications 6 à 8 dans lequel la focale choisie (f') présente une valeur inférieure aux première et deuxième focales. 10. Procédé de détermination de combinaisons optiques d'un télescope bifocal anastigmat à cinq miroirs asphérique, le télescope comprenant : -un premier miroir (M1), un second miroir (M2) et un troisième miroir (M3) et un premier détecteur (D) disposé dans un premier plan focal (PF) communs à une première (f1 ) et une deuxième (f2) focale du télescope, - un premier quatrième miroir (M41) et un premier cinquième miroir (M51) associés à la première focale (f1), les formes et positions respectives des premier (M1), deuxième (M2), troisième (M3), premier quatrième (M41) et premier cinquième (M51) miroirs formant une première combinaison optique associée à la première focale, -un deuxième quatrième miroir (M42) et un deuxième cinquième miroir (M52) associés à une deuxième focale (f2), les formes et positions respectives des premier (M1), deuxième (M2), troisième (M3), deuxième quatrième (M41) et deuxième cinquième (M51) miroirs formant une deuxième combinaison optique (OC2f) associée à la deuxième focale, le procédé comprenant les étapes consistant à : -A déterminer, à partir des équations de Korsh généralisées à 5 miroirs, une 25 première combinaison optique initiale (0C1i) pour la première focale (fi), le premier miroir (M1 i) étant concave, le second miroir (M21;) étant convexe, le troisième miroir (M31;) étant concave, le premier (M1) et le second (M2) miroirs étant configurés de sorte qu'ils forment d'un objet à l'infini une image intermédiaire (lint) située entre le second miroir et le troisième miroir, 30 le troisième (M31;), le premier quatrième (M411) et le premier cinquième (M51i) miroirs étant configurés pour former de ladite image intermédiaire (lint) une image dans un premier plan focal initial (PFii) du télescope en optimisant la qualité d'image dans ledit premier plan focal initial (PFii) selon un critère prédéterminé, 3066618 21 -B déterminer, à partir de la première combinaison optique initiale (0C1i) et des équations de Korsh généralisées à 5 miroirs, une deuxième combinaison optique initiale (OC2i) pour la deuxième focale (f2), en modifiant les formes et/ou les positions desdits troisième, premier quatrième et premier cinquième 5 miroirs déterminés à l'étape B, de manière à former de ladite image intermédiaire (lint) une image dans un deuxième plan focal initial (PF2i) du télescope en optimisant la qualité d'image dans ledit deuxième plan focal initial (PF2i) selon ledit critère prédéterminé, -C déterminer, à partir des première (0C1i) et deuxième (OC2i) 10 combinaisons optiques initiales, une première (0C1f) et une deuxième (OC2f) combinaison optique finale par une boucle d'optimisation, avec la contrainte du premier, deuxième et troisième miroirs (M1, M2, M3) et du premier plan focal (PF) communs aux deux focales (f1 ,f2), et de manière à optimiser la qualité d'image dans ledit premier plan focal (PF) du télescope 15 selon un critère prédéterminé. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel les formes respectives du premier quatrième (M41;) et du premier cinquième (M51;) miroirs déterminés à l'étape A sont imposées sphériques. 20 12. Procédé selon les revendications 10 ou 11 dans lequel la première focale est la focale la plus longue. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12 dans lequel une forme de miroir est définie par au moins un rayon de courbure et une conique, et dans lequel les modifications de l'étape B consistent, pour le troisième miroir, en la modification de sa conique uniquement, soit sans modifier son rayon de courbure ni sa position. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13 dans lequel l'étape C s'effectue avec la contrainte additionnelle des positions des premiers (M41) et deuxième (M42) quatrième miroirs égales, et des positions des premiers (M51) et deuxième (M52) cinquième miroirs égales. 3066618 22 15. Procédé selon l'une des revendications 10 à 14 dans lequel le critère prédéterminé consiste à minimiser une erreur de forme d'onde (WFE).