Brevet FR3090136A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Télescope à champ de vue amélioré Domaine technique [0001] Le domaine de l'invention est celui des télescopes, notamment celui des télescopes d'observations embarqués dans des satellites. Plus précisément, le domaine de l'invention concerne les systèmes catoptriques présentant un grand de vue. Technique antérieure [0002] Actuellement on cherche à augmenter le champ des télescopes d'observation de manière à pouvoir observer un espace au sol (à l'infini) plus important. [0003] Le champ de vue d'un instrument est la région tridimensionnelle de l'espace dont les points objets sont imagés par l'instrument. Pour un télescope l'objet observé est à l'infini, les rayons lumineux issus de l'objet sont parallèles. Les rayons lumineux issus des points objets forment des faisceaux traversant l'instrument pour atteindre le détecteur. [0004] Par exemple pour pouvoir observer avec un instrument l'ensemble du bassin médi- terranéen, tel qu'illustré figure 1, un champ de 85c1.6° (distance instrument-Terre 36000 km) est nécessaire pour un instrument embarqué sur un satellite goéstationnaire. Pour un pas au sol de 4m et des pixels de 5.5 }lm, le détecteur serait typiquement une matrice de 7mx1.5 m pour une focale de 50 m, ce qui n'est pas réaliste. On cherche donc à obtenir des champs de vue élevés avec une taille du détecteur raisonnable. [0005] Un autre besoin est le contrôle précis de la ligne de visée définie comme le rayon moyen disposé au centre du champ de vue. [0006] Un télescope, comme tout système d'imagerie, présente une pupille d'entrée, un axe optique 0 défini par le rayon passant par le centre de la pupille d'entrée et perpendiculaire à cette pupille et une pupille de sortie. Ces notions sont bien connues de l'homme de l'art. [0007] Un exemple de télescope spatial à haute résolution pour l'observation de la terre est un télescope anastigmat à trois miroirs de type Korsch dont la structure est rappelée figure 2. Le télescope de type Korsch est un télescope de type TMA (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Three Mirors Anastigmat »). C'est un télescope anastigmat à trois miroirs asphériques (soit de type Concave-Convexe-Concave) qui comprend au moins un premier miroir Mlo concave, un second miroir M2o convexe et un troisième miroir M3o concave. Les premier, deuxième et troisième miroirs Mlo, M2o et M3o sont asphériques, de formes fixes, chaque miroir étant caractérisé par au moins deux paramètres, un rayon de courbure R et une conique c. Sont également représentées la pupille d'entrée PE et la pupille de sortie PS. 2 [0008] Les trois miroirs Mlo, M2o et M3o sont agencés de sorte que le premier miroir et le second miroir forment d'un objet à l'infini une image intermédiaire située entre le second miroir et le troisième miroir (voir plan focal intermédiaire PH figure 3), le troisième miroir formant de cette image intermédiaire une image finale dans le plan focal PF du télescope dans lequel est placé un détecteur D. [0009] 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, ce qui fait tout l'intérêt de ce type de télescope. On obtient un instrument aplanétique (sans aberration sphérique ni coma) et anastigmatc sur un champ de vue pouvant typiquement aller jusqu'à 30, avec une focale >5 m et une pupille d'entrée >500 mm. [0010] Il est également sans courbure de champ, ce qui signifie que tous les rayons incidents à l'intérieur du champ de l'instrument se focalisent sur un plan, le plan focal PF de l'instrument. C'est le nombre suffisant de miroirs de cette combinaison qui permet d'avoir plus de degrés de liberté pour annuler la courbure de champ, par rapport à un télescope par exemple de type Cassegrain (deux miroirs) qui présente quant à lui toujours une courbure de champ, cc qui limite le champ de vue présentant une qualité d'image suffisante à des valeurs inférieures à 0.5°. [0011] Classiquement il est connu d'améliorer la qualité de l'image des instruments optiques par adjonction d'un miroir déformable MD en pupille de sortie, communément dénommé à surface « free form » » ou de forme libre (quelconque) comme illustré figure 3. [0012] La solution théorique du télescope à 3 miroirs Korsch étant de très bonne qualité, classiquement le miroir déformable n'intervient pas dans la combinaison optique du télescope et est utilisé uniquement pour compenser les défauts dû à l'imperfection de réalisation du système réel par rapport à la solution théorique : -au sol pour compenser les turbulences atmosphériques (application historique des miroirs déformables), -en vol pour compenser les défauts du miroir MI. En effet le miroir MI étant complexe à réaliser, le miroir déformable permet de relâcher les contraintes de réalisation, tout en conservant une bonne performance. De même, on peut s'autoriser un miroir MI plus léger et moins rigide, car ses déformations seront compensées par le miroir déformable. [0013] Pour augmenter le champ de vue d'un télescope, une première solution est de dépointer le télescope. On obtient ainsi un champ de vue très important et indépendant de la taille du détecteur et du nombre d'optique. Mais la vitesse du balayage est lente car le satellite entier doit être manoeuvré, et on ne peut contrôler précisément la ligne de visée. 3 [0014] Une deuxième solution déjà évoquée est d'augmenter le champ de vue en augmentant la taille du détecteur. On obtient un grand champ de vue sans mécanisme additionnel mais au prix d'un instrument encombrant et coutcux, avec un champ de vue limité par la taille de l'optique et la taille du détecteur. Cette solution ne permet pas non plus de stabiliser/contrôler précisément la ligne de visée, et plus la focale est longue plus les micro vibrations induisent des déplacements importants de l'image dans le plan focal. [0015] D'autres solutions utilisent un miroir de balayage, dit miroir de scan, pour balayer mécaniquement le champ de vue. Une première variante est de positionner le miroir de scan en pupille d'entrée de l'instrument. On obtient alors un champ de vue important (>100') et indépendant de la taille du détecteur et du nombre d'optique. Mais dans cette configuration le miroir de scan en entrée doit avoir un diamètre très important, supérieur au diamètre de la pupille d'entrée, ce qui implique un coût et un poids très importants. A taille de détecteur donnée on a beaucoup augmenté le champ. Cette solution n'est envisageable que pour de petits diamètres de pupille d'entrée (300 mm max). Les télescopes d'observation ont typiquement un diamètre de pupille d'entrée supérieur à 500mm. [0016] Dans une deuxième variante on positionne le miroir de scan plus loin dans la com- binaison, typiquement entre la dernière optique et le plan focal, au niveau d'une pupille intermédiaire. A cet endroit le faisceau incident sur le miroir de scan est convergent. Le miroir de scan peut alors être de plus petite dimension et est compatible cl' une faible taille de détecteur. Mais la course du miroir est très faible du fait du problème de défocalisation illustré figure 4. Le gain en champ est donc limité (typiquement inférieur à 0.1°) et de plus la stabilisation de la ligne de visée est réalisée sur une très faible plage (