<EMI ID=1.1>
La présente invention concerne un système optique à éléments coniques dans lequel est corrige 1' astigmatisme du faisceau de rayons paraxial.
Un tel système optique trouve une application particulièrement intéressante dans les senseurs optiques servant au contrôle de l'attitude des satellites artificiels à rotation lancés dans l'espace. Un senseur optique est
un dispositif installé bord d'un satellite et permettant de capter la lumière émise par une cible céleste (le soleil, la lune, la 1:erre ou une étoile) pour la convertir en un signal électrique qui sert ensuite à déterminer la déviation
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davantage dans une direction et une étendue du champ de vision d'environ 1[deg.] ou moins dans une direction perpendiculaire à la première. Si le champ de vision longitudinal de 120[deg.]
ou plus s'étend sensiblement parallèlement à l'axe de rotation du satellite, il y a une forte probabilité que le chas? de vision transversal de faible étendue traverse la cible céleste de référence et que l'instant auquel cette traversée se produit peut être déterminé et utilisé pour la détermination de l'attitude du satellite. Les réalisations courantes de senseurs -de ce genre utilisent généralement
des systèmes optiques qui collectent la lumière émise par
la cible sur une ou plusieurs fentes derrière chacune <EMI ID=3.1>
la lumière incidente en un signal électrique. Une version perfectionnée de ce type de senseur optique se trouve dé-
<EMI ID=4.1>
U.S.A. n[deg.] 3,S3S,277.
Ces types ce senseurs optiques présentent un certain nombre de désavantages parmi lesquels :
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allongée afin de capter avec le meilleur rendement possible l'énergie transmise par les fentes ;
2[deg.] la brillance de l'image décroît vers les bords du champ ce vision longitudinal à moins de faire appel L des masques
<EMI ID=6.1>
introduisent de la distorsion ;
3[deg.] la définition de l'image dans la direction transversale du champ de vision se dégrade souvent vers les bords du champ de vision longitudinal ;
4[deg.] l'extension du champ de vision longitudinal au-delà de ' 120[deg.] est difficile et elle est d'ailleurs limitée par la qualité de l'image, la longueur du détecteur et le rende-
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les senseurs comportant plusieurs détecteurs.
Un autre type de senseur optique comprenant un système optique constitué d'un cône réflecteur associé à une lentille collectrice se trouve décrit dans un article
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Ce dispositif donne lieu à des aberrations importantes pour un faisceau paraxial. De plus, ce senseur est utilisé-pour des satellites sans rotation de telle sorte que son axe optique est dirigé vers la cible. Dans cette disposition, le senseur ne convient que pour détecter
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angle sous-tendu par le cône. Des cibles occupant une position dans un plan perpendiculaire à l'axe optique ne produisent que des_images de mauvaise qualité.
L'invention a pour objet un système optique procurant- une image, exempte d'astigmatisme pour un faisceau lumineux paraxial et ayant une qualité indépendante de 1' azimut de la source_de rayonnement.
Dans son-application à un senseur optique pour le contrôle de l'attitude d'un satellite artificiel à rotation, l'invention a pour but de réaliser un senseur optique qui permet de réduire sensiblement les problèmes d'alignement et d'utiliser des détecteurs ayant des éléments sensibles de forme circulaire, plus courant sur le marché.
Le système optique selon l'invention se caractérise en ce qu'il comprend : a) un miroir conique convexe, b) un élément de réfraction ayant au moins une surface conique, ces deux éléments coniques ayant un axe de sy- <EMI ID=10.1>
un faisceau lumineux paraxial atteignant le miroir convexe suivant une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de symétrie se trouve réfléchi vers l'élément de réfraction, traverse celui-ci et en émerge sous forme d'un second faisceau à rayons parallèles, et c) une lentille collectrice disposée derrière l'élément de réfraction en sorte de concentrer le second faisceau lumineux en un point image si tué sur ledit axe de symétrie..
Associé à un détecteur opto-électrique disposé au point image avec son élément sensible situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie, ce système optique peut être utilisé, par exemple,-comme senseur optique à bord d'un satellite artificiel à rotation en vue d'en contrôler l'attitude.
L'invention va être décrite plus amplement ciaprès en se référant aux dessins joints sur lesquels :
la figure 1 montre schématiquement la structure de base du système optique ;
- la figure 2 montre schématiquement une variante de forme de réalisation ;
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vue respectivement suivant un plan parallèle et un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal d'un satellite artificiel, une première disposition typique du système optique
<EMI ID=12.1> deux autres dispositions typiques du système optique à bord d'un satellite artificiel. La figure 1 montre schématiquement la structure d'un mode de 'réalisation du système optique selon l'invention. L'axe Z est l'axe de symétrie du système. Celui-ci comprend un miroir conique convexe 1 , un élément de réfraction. 2, et une lentille collectrice 3, ces trois éléments ayant une symétrie circulaire autour de l'axe Z. Dans la forme de réalisation illustrée, l'élément de -réfraction 2 présente deux surfaces coniques opposées 21 et 22. Les angles au
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et intercepté . par le miroir conique 1- se trouve réfléchi
par celui-ci en direction de l'élément de réfraction 2, traverse les surfaces coniques 21 et 22 de ce dernier et en émerge sous la forme d'un second faisceau à rayons parallèles
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cieux, la position du poinz image dépend et dépend seulement de l'angle formé entre la direction des rayons incidents et l'axe de symétrie 2, mais qu'elle est indépendante de l'azimut de la source de rayonnement. Ce système est par conséquent capable de capter les rayons.des sources occupant un grand cercle de la sphè-re 'céleste, perpendiculaire à l'axe Z, c'est-à-dire des sources ayant un azimut de 0[deg.] à 360[deg.].
Utilisé dans un senseur optique destiné à con- trôler l'attitude d'un satellite artificiel, le système optique de la figure 1 doit être complété d'un détecteur disposé au point inage et ayant un élément sensible circulaire dans un plan X-Y perpendiculaire à l'axe de symétrie
2. Le diamètre de cet élément sensible circulaire détermine l'étendue du champ de vision dans un plan perpendiculaire au plan X-Y. L'image d'une cible, c'est-à-dire d'une source de rayonnement quelconque pouvant servir de point de réfé-rence dans l'espace, traversant le plan X-Y à un azimut quelconque décrit dans le plan focal une trajectoire qui passe par le point image C lorsque la cible traversé le plan X-Y. Un avantage important est que l'azimut de la ci--
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de l'image.
, Dans une variante de forme de réalisation, l'angle
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réduisant alors à un plan. De plus, l'effet de concentration;
ce la lentille 3 peut être réalisé par un profilage approprié de la base du cône 21, comme le montre la figure 2. Au besoin les aberrations résiduelles de parallélisme du faisceau II peuvent être compensées par une variation de la_ distance Zo séparant les sonnets des éléments coniques .1 et 2.
Pour réaliser une structure plus compacte, les éléments optiques 1 et 2 peuvent être réalisés avec des surfaces coniques tronquées. La figure 3, par exemple, montre schématiquement une structure compacte constituée de deux surfaces tronconiques jointives 1 et 21.
Un senseur optique utilisant le système optique selon l'invention peut être monté de diverses façons à
bord d'un satellite à rotation pour servir à en contrôler l'attitude. Les figures 3 à 6 illustrent- trois dispositions typiques.
Les figures 3 et 4 montrent, vue suivant un plan longitudinal et un plan transversal respectivement, une disposition dans laquelle la structure optique a son axe
<EMI ID=18.1> satellite représenté par le rectangle 10. Dans cette dis-
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aspect du satellite et le dispositif permet de produire,
à chaque révolution du satellite, deux signaux représentait la traversée du plan X-Y par la cible.
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à l'axe de rotation S du satellite 10, la structure optique peut également être montée comme contre à la figure 5 avec l'axe de symétrie Z tangent à la circonférence limitant
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angle d'aspect du satellite est limité à une gamme allant
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La figure 6 montre une disposition dans laquelle l'axe de symétrie Z de la structure optique est parallèle à l'axe de rotation S. Le dispositif mesure dans ce cas les déviations de la direction de l'axe S par rapport à la perpendiculaire à la ligne cible-satellite.
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quement une structure optique compacte telle que décrite plus haut, ce choix n'étant qu'un exemple avantageux du point de vue pratique, mais nullement limitatif.
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1.- Système optique à éléments coniques, caractérisé en ce qu'il comprend :
a) un miroir conique convexe.(1), b) un élément de réfraction (2) ayant au moins une surface conique, ces deux éléments coniques ayant un axe de symétrie <EMI ID=25.1>
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<EMI ID=27.1>
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vers l'élément de réfraction (2), traverse celui-ci et en émerge sous forme d'un second faisceau à rayons .sensiblement
<EMI ID=29.1> c) une lentille collectrice (3) disposée derrière l'élément de réfraction (2) en sorte de concentrer le second faisceau lumineux (II) en un point image (C) situa sur ledit axe de symétrie (Z).
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The present invention relates to an optical system with conical elements in which the astigmatism of the paraxial ray beam is corrected.
Such an optical system finds a particularly interesting application in optical sensors used for controlling the attitude of artificial rotating satellites launched into space. An optical sensor is
a device installed on board a satellite and allowing to capture the light emitted by a celestial target (the sun, the moon, the 1st: wanders or a star) to convert it into an electrical signal which is then used to determine the deviation
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more in a direction and an extent of the field of view of about 1 [deg.] or less in a direction perpendicular to the first. If the longitudinal field of view of 120 [deg.]
or more extends substantially parallel to the axis of rotation of the satellite, there is a high probability that the eye? cross-sectional view of a small extent passes through the reference celestial target and that the time at which this crossing occurs can be determined and used in determining the attitude of the satellite. Current embodiments of such sensors generally use
optical systems that collect the light emitted by
the target on one or more slits behind each <EMI ID = 3.1>
the incident light into an electrical signal. An improved version of this type of optical sensor is found
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U.S.A. n [deg.] 3, S3S, 277.
These types of optical sensors have a number of disadvantages including:
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elongated in order to capture the energy transmitted by the slots with the best possible efficiency;
2 [deg.] The brightness of the image decreases towards the edges of the field this longitudinal vision unless using L masks
<EMI ID = 6.1>
introduce distortion;
3 [deg.] Image definition in the transverse direction of the field of view often deteriorates towards the edges of the longitudinal field of view;
4 [deg.] Extending the longitudinal field of view beyond '120 [deg.] Is difficult and is moreover limited by the quality of the image, the length of the detector and the rendering.
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sensors comprising several detectors.
Another type of optical sensor comprising an optical system consisting of a reflector cone associated with a collecting lens is described in an article.
<EMI ID = 8.1>
This device gives rise to significant aberrations for a paraxial beam. In addition, this sensor is used for satellites without rotation so that its optical axis is directed towards the target. In this arrangement, the sensor is only suitable for detecting
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angle subtended by the cone. Targets occupying a position in a plane perpendicular to the optical axis produce only poor quality images.
The invention relates to an optical system providing an image, free of astigmatism for a paraxial light beam and having a quality independent of the azimuth of the radiation source.
In its application to an optical sensor for controlling the attitude of an artificial rotating satellite, the object of the invention is to provide an optical sensor which makes it possible to significantly reduce the alignment problems and to use detectors. with sensitive elements of circular shape, more common on the market.
The optical system according to the invention is characterized in that it comprises: a) a conical convex mirror, b) a refractive element having at least one conical surface, these two conical elements having an axis of sy- <EMI ID = 10.1>
a paraxial light beam reaching the convex mirror in a direction substantially perpendicular to said axis of symmetry is reflected towards the refractive element, passes through it and emerges therefrom in the form of a second beam with parallel rays, and c) a lens collector disposed behind the refractive element so as to concentrate the second light beam at an image point if killed on said axis of symmetry.
Associated with an opto-electric detector arranged at the image point with its sensitive element located in a plane perpendicular to the axis of symmetry, this optical system can be used, for example, as an optical sensor on board an artificial rotating satellite in order to control its attitude.
The invention will be described more fully below with reference to the accompanying drawings in which:
Figure 1 schematically shows the basic structure of the optical system;
FIG. 2 schematically shows an alternative embodiment;
<EMI ID = 11.1>
view respectively along a plane parallel and a plane perpendicular to the longitudinal axis of an artificial satellite, a first typical arrangement of the optical system
<EMI ID = 12.1> two other typical arrangements of the optical system on board an artificial satellite. Figure 1 schematically shows the structure of one embodiment of the optical system according to the invention. The Z axis is the axis of symmetry of the system. This comprises a convex conical mirror 1, a refraction element. 2, and a collecting lens 3, these three elements having circular symmetry around the Z axis. In the illustrated embodiment, the refractive element 2 has two opposite conical surfaces 21 and 22. The angles at
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<EMI ID = 14.1>
and intercepted. by the conical mirror 1- is reflected
by the latter in the direction of the refractive element 2, passes through the conical surfaces 21 and 22 of the latter and emerges therefrom in the form of a second beam with parallel rays
<EMI ID = 15.1>
heavens, the position of the image poinz depends and depends only on the angle formed between the direction of the incident rays and the axis of symmetry 2, but that it is independent of the azimuth of the radiation source. This system is therefore capable of picking up rays from sources occupying a large circle of the celestial sphere, perpendicular to the Z axis, that is to say sources having an azimuth of 0 [deg.] at 360 [deg.].
Used in an optical sensor intended to control the attitude of an artificial satellite, the optical system of figure 1 must be completed with a detector arranged at the inage point and having a circular sensitive element in an XY plane perpendicular to the 'axis of symmetry
2. The diameter of this circular sensing element determines the extent of the field of view in a plane perpendicular to the X-Y plane. The image of a target, that is to say of any source of radiation that can serve as a point of reference in space, crossing the XY plane at any azimuth described in the focal plane a trajectory which passes through the image point C when the target crosses the XY plane. An important advantage is that the azimuth of the ci--
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of the image.
In an alternative embodiment, the angle
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then reducing to a plane. In addition, the effect of concentration;
This lens 3 can be achieved by an appropriate profiling of the base of the cone 21, as shown in figure 2. If necessary, the residual parallelism aberrations of the beam II can be compensated by a variation of the distance Zo separating the sonnets from the elements. conical. 1 and 2.
To achieve a more compact structure, the optical elements 1 and 2 can be made with truncated conical surfaces. Figure 3, for example, schematically shows a compact structure consisting of two contiguous frustoconical surfaces 1 and 21.
An optical sensor using the optical system according to the invention can be mounted in various ways to
board of a rotating satellite to be used to control its attitude. Figures 3 to 6 illustrate three typical arrangements.
Figures 3 and 4 show, viewed along a longitudinal plane and a transverse plane respectively, an arrangement in which the optical structure has its axis
<EMI ID = 18.1> satellite represented by rectangle 10. In this dis-
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aspect of the satellite and the device allows to produce,
at each revolution of the satellite, two signals represented the crossing of the X-Y plane by the target.
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to the axis of rotation S of satellite 10, the optical structure can also be mounted as against in FIG. 5 with the axis of symmetry Z tangent to the limiting circumference
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satellite aspect angle is limited to a range of
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Figure 6 shows an arrangement in which the axis of symmetry Z of the optical structure is parallel to the axis of rotation S. In this case, the device measures the deviations of the direction of the axis S from the perpendicular to the target-satellite line.
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only a compact optical structure as described above, this choice being only an advantageous example from a practical point of view, but in no way limiting.
<EMI ID = 24.1>
1.- Optical system with conical elements, characterized in that it comprises:
a) a conical convex mirror. (1), b) a refractive element (2) having at least one conical surface, these two conical elements having an axis of symmetry <EMI ID = 25.1>
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<EMI ID = 27.1>
<EMI ID = 28.1>
towards the refractive element (2), passes through it and emerges from it in the form of a second ray beam.
<EMI ID = 29.1> c) a collecting lens (3) arranged behind the refractive element (2) so as to concentrate the second light beam (II) at an image point (C) located on said axis of symmetry (Z ).