Brevet FR3101438A1 — publié le 20210402

L’invention concerne un télescope (10) comprenant : -un télescope initial (Tel) comprenant un premier miroir (M1) concave et un deuxième miroir (M2) convexe configurés de sorte qu’ils forment d’un faisceau lumineux (F0) provenant de l’infini une image dénommée image intermédiaire (Ii) dans un plan focal dénommé plan focal intermédiaire (PFi), ladite image intermédiaire présentant une plus grande dimension selon un axe X perpendiculaire à un axe optique du télescope, -un module de segmentation (MSEG) comprenant : *un premier ensemble de n miroirs de segmentation (MS1) disposés en aval du plan focal intermédiaire et configurés pour découper l’image intermédiaire issue du plan focal intermédiaire en n imagettes, *un deuxième ensemble de n miroirs de refocalisation (MS2) configurés pour réimager lesdites n imagettes en n images dans un plan focal (PF) du télescope, lesdites images étant agencées dans ledit plan focal de manière à réduire la dimension selon X contenant les n images. Figure à publier : Figure 7 Télescope de type Cassegrain à plan focal segmenté DOMAINE DE L’INVENTION 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 à haute résolution et grand champ. ETAT DE LA TECHNIQUE Historiquement les premiers télescopes étaient des lunettes (à lentilles). Puis les premiers télescopes catadioptriques étaient de type Newton (un seul miroir), les télescopes à deux miroirs de type Cassegrain/Ritchey-Chrétien sont arrivés ensuite. Ces télescopes comprennent deux miroirs, un premier miroir M1 concave et un deuxième miroir M2 convexe configurés pour réaliser une image d’un faisceau lumineux F0 provenant de l’infini dans un plan focal PFc, dans lequel est disposé un détecteur, tel qu’illustré figure 1. Ce système optique présente un axe optique O bien connu de l’homme de l’art, défini par le rayon passant par le centre de la pupille d’entrée P E et perpendiculaire à cette pupille. Les différents éléments (miroirs M1, M2 et détecteur) du télescope sont agencés selon un ordre, des positions et des caractéristiques optiques qui définissent la combinaison optique du télescope. Le télescope présente une pupille d’entrée PE et une pupille de sortie, notions bien connues de l’homme de l’art. La pupille d’entrée de ce télescope est constituée par le diamètre du M1. Un télescope est caractérisé de manière connue par les paramètres suivants : -une focale f, -une ouverture : rapport de la focale f sur le diamètre D du M1, paramétrée en f/nombre entier, -un champ de vue qui est l’angle solide observé par l’instrument pour une image présentant une qualité d’image jugée acceptable. La qualité d’un système optique s’évalue par comparaison entre l’onde lumineuse idéale limitée par la diffraction et l’onde lumineuse réelle à la sortie du système optique tenant compte des défauts du système optique traversé. L’analyse de la différence entre onde théorique et onde réelle permet d’identifier les types de défauts ou aberrations du système optique. Il est connu que les principales aberrations géométriques sont : l’aberration sphérique, l’astigmatisme, la coma, la courbure de champ (défocus dans le champ), et la distorsion (aberrations du 3eme ordre). Les miroirs M1 et M2 sont parabolique-hyperbolique pour un Cassegrain, hyperbolique-hyperbolique pour le RC, et la combinaison optique de ce type de télescope se détermine de manière connue en fonction des différents paramètres précités et par exemple de la distance d1 entre M1 et M2, ou de la distance d2 entre M2 et le plan focal PF souhaitée. Le fait d’avoir deux miroirs dans la combinaison optique permet la correction de deux des trois aberrations du 3eme ordre : soit on corrige l’aberration sphérique et la coma (télescope Ritchey-Chrétien), soit on corrige l’aberration sphérique et l’astigmatisme (télescope Cassegrain). Nous dénommerons par la suite ce type de télescope RC/C. En revanche ce type de télescope présente toujours de la courbure de champ (ou courbure de Petzval) et de la distorsion, ce qui limite le champ de vue présentant une qualité d’image suffisante à des valeurs inférieures à 0.5°. Ainsi un télescope Ritchey-Chrétien a généralement un champ linéaire inférieur à 0.8°. C’est la non-correction des aberrations précitées qui fait que le champ de vue est limité. Il existe par ailleurs d’autres types de télescopes à 2 miroirs tels que « Schmidt & Maksutov », « Grégorien », « Schwarzschild ». Du fait des limitations précitées les télescopes à 2 miroirs (RC/C ou autre), bien que très compacts, ne sont aujourd’hui plus utilisés pour l’imagerie haute résolution (longue focale) et grand champ. Depuis 20 ans le standard pour les télescopes spatiaux longue focale est le télescope de type « Korsch », tel qu’illustré figure 2, qui permet d’obtenir un champ plus important que celui du Ritchey-Chrétien. Le télescope de type Korsch, également dénommé TMA (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Three Mirrors Anastigmat ») est un télescope anastigmat à trois miroirs asphériques (de type Concave-Convexe-Concave) qui comprend un premier miroir M1k concave, un second miroir M2k convexe et un troisième miroir M3k concave. Les trois miroirs M1k, M2k et M3k sont agencés de sorte que le premier miroir M1k et le second miroir M2k forment d’un objet à l’infini une image intermédiaire P FI k située entre M2k et M3k, ce troisième miroir formant de cette image intermédiaire une image finale dans le plan focal PFk du télescope dans lequel est placé un détecteur D. Au moins un miroir de renvoi MR permet de rendre le système plus compact. Ce télescope présente une pupille de sortie PS disposée entre M3 et D. Les trois miroirs permettent de corriger l’ensemble des aberrations du 3 ème ordre plus la courbure de champ. Il présente suffisamment de degrés de liberté au niveau du design de sa combinaison optique pour corriger la courbure de champ (application des équations de Korsch bien connues de l’homme de l’art), et donc son champ de vue est plus large que pour le RC/C. La solution théorique est de très bonne qualité, ce qui fait tout l’intérêt de ce type de télescope. Typiquement les télescopes de type Korsch présentent un champ de vue compris entre 0 et 3° et des focales de plusieurs mètres, typiquement de 3m à 40 m. Pour l’observation de la terre ces télescopes fonctionnement selon le principe « push broom » : on réalise une image sur un détecteur constitué d’une barrette linéaire, la rotation du satellite autour de la terre faisant naturellement défiler l’image. L’augmentation de la résolution et du champ des télescopes d’observation planétaire progresse à marche forcée, dictée par des besoins militaires (reconnaissance, identification) comme civils (gestion des cultures, forêts, grands projets BTP, désastres naturels...). Cette augmentation de la résolution et du champ conduit à travailler avec des plans focaux linéaires devenant de plus en plus encombrants et difficiles à intégrer. Exemple : Mission à 700km d’altitude pour une résolution au sol (GSD) de 30 cm, une fauchée de 30km et des pixels de 10µm. Le plan focal ferait ainsi 1m de large, ce qui est grand en termes de complexité et intégration du plan focal. Il devient donc nécessaire de réduire la taille linéaire de ce plan focal afin de remédier aux problèmes énoncés ci-dessus. Une solution utilisant un module de segmentation associé à un télescope Korsch, dénommé Korsch Segmenté, est décrit dans la publication « Innovative focal plane design for large space telescope using freeform mirrors » de Jahn et al, Optica, Vol. 4, Issue 10, pp. 1188-1195, (2017) tel qu’illustré figure 3. Un module de segmentation 5 est placée après le plan focal PFk du télescope initial (M1k, M2k, M3k) pour le découper en imagettes plus petites. Le télescope comprend également un miroir déformable MD disposé sur la pupille de sortie du télescope Korsch initial pour en améliorer la qualité d’image. Ces imagettes sont ensuite réimagées et réagencées les unes sous les autres sur un détecteur Det (détecteur unique, barrettes superposées, mosaïques de détecteurs élémentaires…) réduisant la taille linéaire du plan focal d’un facteur sensiblement égal au nombre d’imagettes. De ce fait, le plan focal du télescope initial devient une image intermédiaire et le plan focal final PFkf du télescope est réduit à un détecteur unique bien plus petit. Le module de segmentation 5 comprend un ensemble de miroirs de segmentation ms1 disposé en aval du plan focal PFk du télescope initial pour réaliser les imagettes et des miroirs de refocalisation ms2 pour former les images finales dans le plan focal PFkf, tel qu’illustré figure 4. Les miroirs ms1 et ms2 sont de type « freeform ». Ainsi au lieu d’un détecteur linéaire DL selon X positionné dans le plan focal initial PFk utilisé dans un Korsch classique, avec un télescope Korsch segmenté on utilise un détecteur Det dont la dimension selon X est réduite, tel qu’illustré figure 5 pour le cas où 7 images initiales alignées selon X dans le plan fogal PFk sont ré-imagées superposées l’une à l’autre dans le plan focal final PFkf. Le télescope Korsch segmenté utilise un détecteur de dimension réduite mais est en fait de moins bonne qualité d’image qu’un Korsch classique en termes de résolution, qualité d’image et grand champ (voir plus loin). En outre un tel télescope présente un encombrement et un coût très élevé. Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un télescope segmenté à la fois plus compact et présentant une qualité d’image améliorée par rapport au Korsch segmenté. DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention a pour objet un télescope comprenant: -un télescope initial comprenant un premier miroir concave et un deuxième miroir convexe configurés de sorte qu’ils forment d’un faisceau lumineux provenant de l’infini une image dénommée image intermédiaire dans un plan focal dénommé plan focal intermédiaire, ladite image intermédiaire présentant une plus grande dimension selon un axe X perpendiculaire à un axe optique du télescope, -un module de segmentation comprenant : *un premier ensemble de n miroirs de segmentation disposés en aval du plan focal intermédiaire et configurés pour découper l’image intermédiaire issue du plan focal intermédiaire en n imagettes, *un deuxième ensemble de n miroirs de refocalisation configurés pour réimager lesdites n imagettes en n images dans un plan focal du télescope, lesdites images étant agencées dans ledit plan focal de manière à réduire la dimension selon X contenant les n images, -un dispositif de détection (Det) disposé dans ledit plan focal. Préférentiellement le télescope initial est de type Ritchey-Chrétien ou Cassegrain. Selon une variante les miroirs du premier ensemble sont disposés dans un même plan P1 perpendiculaire audit axe optique. Selon un mode de réalisation une distance entre le plan focal intermédiaire et ledit plan P1 est déterminée au moins en fonction d’une focale du télescope initial et d’un grandissement du module de segmentation selon une loi prédéterminée. Selon un mode de réalisation distance est déterminée à +/- 20% près par une interpolation polynomiale de degré 2 de type : desg = A + B*fc +C*gs + D*fc 2 + E*fc*gs + F*gs 2 les coefficients A à F étant fonction d’un champ d’entrée selon l’axe X. Selon une autre variante les miroirs du premier ensemble et les miroirs du deuxième ensemble sont disposés dans au moins deux plans différents perpendiculaires à l’axe optique, une voie comprenant un miroir de segmentation et un miroir de focalisation associé, une voie présentant une focale associée, toutes les voies étant configurées pour réaliser lesdites images dans ledit plan focal (PF). La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 déjà citée illustre un télescope de type Cassegrain/Ritchey-Chrétien selon l’état de la technique. La figure 2 déjà citée illustre un télescope de type Korsch selon l’état de la technique. La figure 3 illustre le principe d’un télescope Korsch segmenté selon l’état de la technique. La figure 4 déjà cité illustre plus particulièrement le module de segmentation du Korsch segmenté de la figure 3. La figure 5 déjà citée illustre le plan focal d’un télescope « push broom » classique et d’un télescope « push broom » segmenté. La figure 6 illustre un télescope Cassegrain/ Ritchey-Chrétien utilisé dans un application « push broom » avec un plan focal « utile » selon un axe X. La figure 7 illustre une vue de profil d’un télescope selon l’invention. La figure 8 illustre une vue de dessus d’un télescope selon l’invention. La figure 9 illustre plus particulièrement une vue de profil du module de segmentation du télescope selon l’invention. La figure 10 illustre une vue en perspective d’un exemple de module de segmentation du télescope selon l’invention. La figure 11 illustre les distances et paramètres optiques d’intérêt d’un télescope Cassegrain/Ritchey-Chrétien. La figure 11bis illustre le rayon principal de bord de champ et l’angle selon X qu’il fait avec l’axe optique du système. La figure 12 illustre l’évolution de l’angle de sortie en fonction de la distance d1 entre M1 et M2, pour un télescope Cassegrain/Ritchey-Chrétien. La figure 13 illustre l’évolution de la distance dEPC entre la pupille de sortie d’un télescope Cassegrain/Ritchey-Chrétien et le plan focal (plan image, correspondant au plan image intermédiaire du télescope selon l’invention) en fonction de la distance d1 entre M1 et M2. La figure 14 illustre les distances et paramètres optiques d’intérêt d’un télescope Korsch. La figure 15 illustre l’évolution de l’angle de sortie en fonction de la distance d1 entre M1 et M2 pour un télescope Korsch. La figure 16 illustre l’évolution de la distance dEPC entre la pupille de sortie du télescope et le plan focal en fonction de la distance d1 entre M1 et M2, pour un télescope Korsch. La figure 17 compare l’évolution de l’angle de sortie le plus élevé en fonction de d1 pour un télescope Cassegrain et un Korsch. La figure 18 compare l’évolution de la distance dEPC en fonction de d1 pour un télescope Cassegrain et un Korsch. La figure 19 illustre la loi qui permet de déterminer la distance optimale dseg entre le plan focal intermédiaire et le plan des miroirs de segmentation en fonction de la focale du télescope initial et du grandissement du module de segmentation. La figure 20 illustre la variation du coefficient A de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 21 illustre la variation du coefficient B de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 22 illustre la variation du coefficient C de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 23 illustre la variation du coefficient D de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 24 illustre la variation du coefficient E de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 25 illustre la variation du coefficient F de l’interpolation de degré 2 en fonction du champ d’entrée selon X Θx. La figure 26 illustre un exemple d’agencement, vu de côté, du module de segmentation par rapport au miroir primaire M1 du télescope initial, pour un télescope selon l’invention. Télescope (10) comprenant : -un télescope initial (Tel) comprenant un premier miroir (M1) concave et un deuxième miroir (M2) convexe configurés de sorte qu’ils forment d’un faisceau lumineux (F0) provenant de l’infini une image dénommée image intermédiaire (Ii) dans un plan focal dénommé plan focal intermédiaire (PFi), ladite image intermédiaire présentant une plus grande dimension selon un axe X perpendiculaire à un axe optique du télescope, -un module de segmentation (MSEG) comprenant : *un premier ensemble de n miroirs de segmentation (MS1) disposés en aval du plan focal intermédiaire et configurés pour découper l’image intermédiaire issue du plan focal intermédiaire en n imagettes, *un deuxième ensemble de n miroirs de refocalisation (MS2) configurés pour réimager lesdites n imagettes en n images dans un plan focal (PF) du télescope, lesdites images étant agencées dans ledit plan focal de manière à réduire la dimension selon X contenant les n images, -un dispositif de détection (Det) disposé dans ledit plan focal (PF). Télescope selon la revendication précédente dans lequel le télescope initial est de type Ritchey-Chrétien ou Cassegrain. Télescope selon l’une des revendications précédentes dans lequel les miroirs (MS1) du premier ensemble sont disposés dans un même plan P1 perpendiculaire audit axe optique. Télescope selon la revendication précédente dans lequel une distance (dseg) entre le plan focal intermédiaire (PFi) et ledit plan P1 est déterminée au moins en fonction d’une focale du télescope initial (fc) et d’un grandissement du module de segmentation (gs) selon une loi prédéterminée. Télescope selon la revendication précédente dans lequel ladite distance (dseg) est déterminée à +/- 20% près par une interpolation polynomiale de degré 2 de type : desg = A + B*fc +C*gs + D*fc 2 + E*fc*gs + F*gs 2 les coefficients A à F étant fonction d’un champ d’entrée selon l’axe X (Θx). Télescope selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel les miroirs (MS1) du premier ensemble et les miroirs (MS2) du deuxième ensemble sont disposés dans au moins deux plans différents perpendiculaires à l’axe optique, une voie comprenant un miroir de segmentation et un miroir de focalisation associé, une voie présentant une focale associée, toutes les voies étant configurées pour réaliser lesdites images dans ledit plan focal (PF).