WO2002084361A1 - Dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir s'etendant dans l'ombre du miroir et systeme optique equipe de ce dispositif - Google Patents

Dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir s'etendant dans l'ombre du miroir et systeme optique equipe de ce dispositif Download PDF

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WO2002084361A1
WO2002084361A1 PCT/FR2002/001272 FR0201272W WO02084361A1 WO 2002084361 A1 WO2002084361 A1 WO 2002084361A1 FR 0201272 W FR0201272 W FR 0201272W WO 02084361 A1 WO02084361 A1 WO 02084361A1
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mirror
axis
actuator
tilt
plates
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PCT/FR2002/001272
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Laurent Cadiergues
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Centre National D'etudes Spatiales (C.N.E.S.)
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/183—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors specially adapted for very large mirrors, e.g. for astronomy, or solar concentrators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/1822—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors comprising means for aligning the optical axis
    • G02B7/1827—Motorised alignment

Definitions

  • the invention relates to a device for mounting and correcting the position of a mirror extending in the shadow of this mirror. It extends to an optical system equipped with such a device.
  • Some optical systems include one or more mirrors partially masking the incident light flux and / or the light flux passing through the optical system. This is in particular the case of a secondary mirror of a Cassegrain or Newton mounting telescope. Consequently, the radial dimensions of these mirrors must be as small as possible, and the devices necessary for their mounting or for the correction of their position in the optical system must minimize the residual incident light flux (not masked by the mirror ) and mainly lie in the shadow of the mirror.
  • the position of such a mirror essential for the proper functioning of the optical system, must be capable of being adjusted. This is in particular the case in optical systems on board space systems (satellites, shuttles, space stations, probes, launchers, etc.) in order to perfect their optical properties which can deteriorate during launch or during flight, in particular because of the thermoelastic effects.
  • FR-2,773,890 thus describes an example of a device for mounting and correcting the position of a mirror comprising a mechanism with motorized actuators which can extend in the shadow of a secondary mirror of a space telescope.
  • the known mounting and correction devices extending in the shadow of the mirrors have the drawback of complex, non-proportional control.
  • the command of a displacement in order to correct a defect involves other parasitic displacements, generally qualified as "rejection" (from the English "rejections") which must then be corrected. Therefore, the correction of a defect requires additional degrees of freedom and slaving to compensate for rejections.
  • the device of FR-2,773,890 makes it possible to carry out displacements according to six degrees of freedom.
  • rejections are not generally parallel to the axes of the actuators, so that the compensations are complex and / or may require several stages.
  • a complex closed-loop electronic control system must also be provided to achieve this compensation.
  • development of the control signal is complex, this control signal not being proportional to the movement to be carried out.
  • this complexity puts a strain on the cost of developing and manufacturing the control means (generally electronic) and affects their operational reliability. It also considerably increases its size, weight and energy consumption, which constitutes a significant drawback in certain applications such as space applications.
  • the default position taken in the absence of power to the actuators, for example in the event of failure of the control system is far from the nominal mechanical operating position of the optical system, which affects the reliability of the device, the functioning of the optical system being degraded (reduced resolution) in the event of failure of the control electronics, which can be prohibitive in certain applications.
  • the invention therefore aims to provide a device for mounting and correcting the position of a mirror - in particular a mirror with axial symmetry - extending in the shadow of the mirror, which can be controlled with simple, light control means , space-saving and low energy consumption.
  • the invention aims more particularly to propose a device making it possible to carry out corrections of the linear type, that is to say of which the control signal is proportional to the movements of correction to be made.
  • the invention aims more particularly to propose a device free of rejection not aligned with the axes of the actuators, and in particular at least substantially free of lateral rejection.
  • the invention aims more particularly to propose a device comprising a number of degrees of freedom corresponding to the number of correction movements to be carried out in translation and / or in rotation - in particular a device capable of correcting the position of the mirror in refocusing (translation according to a reference axis normally corresponding to the optical axis) and tilt (s) (rotation (s) around at least one of two transverse axes perpendicular to and between the reference axis), using three degrees of freedom.
  • the invention aims more particularly to propose a device which is compatible with use on board a space system such as a satellite, a probe, an orbital station, a shuttle, a launcher, ... and which in particular can withstand for launching efforts and space vacuum, being light in weight, space and manufacturing and use costs (in particular in terms of energy consumption), has a long service life, and allows reliable and precise corrections to the position of the mirror , remotely controlled.
  • a space system such as a satellite, a probe, an orbital station, a shuttle, a launcher, ...
  • the invention aims more particularly to propose a device which allows corrections to be made in axial position (refocusing) over a stroke (in each direction) of the order of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m with a resolution of less than 0.1 ⁇ m , in particular of the order of 0.05 ⁇ m, and in tilt (s) over a stroke (in each direction) of the order of 500 ⁇ rad with a resolution of less than 1 ⁇ rad, in particular of the order of 0.5 ⁇ rad, and with lateral rejections less than 1 ⁇ m.
  • the invention also aims more particularly to propose such a device having eigen modes greater than 195 Hz, a mass of less than 2.5 kg, and capable of supporting a 3 kg mirror under 60 g of acceleration.
  • the invention relates to a device for mounting and correcting the position relative to a support for a mirror having a central optical axis - in particular constituting an axis of symmetry of the mirror - and an optical center.
  • a mechanism with motorized actuators extending in the shadow of the mirror between the support and a rear face of the mirror, characterized in that it comprises a tilt correction stage (s) extending between two plates, the l one, said mirror plate, is associated with the mirror, while the other, said support plate, is associated with the support, this tilt correction stage comprising:
  • connecting rods connecting the two plates
  • each of these connecting rods being fixed by an articulation of one of its ends to the mirror plate and another articulation of its other end to the support plate
  • the connecting rods being fixed to said plates so as to extend between these two plates and, when the two plates are in a relative position, called the nominal position, in which the central optical axis of the mirror coincides with a fixed direction, called reference axis, with the straight directions, called the connecting rod axes, each passing through the two articulations of the ends of each connecting rod which are intersecting at least substantially at the optical center of the mirror
  • - at least one linear actuator called the tilt actuator , interposed between the two plates and fixed by an articulation of one of its ends to the mirror plate and by another articulation of its other extrem ity to the support plate, each tilt actuator being fixed to the plates and being adapted so that, when at least one tilt actuator is activated, the distance between its ends being modified, the mirror plate tilts relative to the support plate
  • the inventor has indeed demonstrated that such a device has a particular operating kinematics in which the side component rejections imparted by a tilt correction (s) are extremely low and in fact negligible. Indeed, it can be demonstrated that the trajectory followed by the optical center of the mirror following the corrections in tilt (s) presents a turning point corresponding to the initial neutral position of this optical center (in which the connecting rods are symmetrical with respect to to the optical axis of the mirror, the two plates being in nominal position, mutually parallel with a tangent at this point of cusp coinciding with the reference axis (and with the central optical axis of the mirror).
  • each tilt actuator can be proportional to the movement to be made, and this results in a considerable simplification of the device itself and of its control means.
  • DE-3837770 describes a device for positioning an auxiliary telescope mirror making it possible to perform alternating "chopping" movements of high acceleration, without electromagnet or elastic return, to orient the optical axis of the telescope on an area of the sky surrounding a star to be observed in the infrared, in order to be able to remove the background noise from the signal by subtraction.
  • the solution recommended in this document consists in using an oleodynamic system comprising hydraulic jacks parallel to the optical axis of the mirror, fixed between a base plate and the mirror; position control hydraulic cylinders whose axes pass through the center of gravity of the mirror whose rotation is carried out around this center of gravity; pairs of articulated arms extending axially parallel to the optical axis between the base plate and the mirror in order to block rotation in rotation around the optical axis; hydraulic cylinders also extending between the base plate and the mirror to allow the shape of this mirror to be modified in order to compensate for any deformations resulting from these movements.
  • the mirror is pivoted around its center of gravity, which does not solve the problems mentioned above.
  • the publication “nutating subreflector for a millimeter wave telescope” RADFORD SJE and al. American Review of Physics - New York - US - vol. 61 - n ° 3 - March 1, 1990 - p. 953-959 also describes a device which makes it possible to carry out nutation movements in order to remove the background noise in the context of an infrared observation.
  • the device provided comprises two electric motors with actuating rods movable in translation parallel to the optical axis of the mirror, on each side.
  • the two motors are mounted on arms pivoting along a pivot axis parallel to the pivot axis of the mirror.
  • a structure similar to a deformable parallelogram is thus obtained with which the mirror is not pivoted around its optical center.
  • a particularly complex closed-loop control system must be provided. Again, this document does not solve the problems mentioned above.
  • “tray” means any rigid part extending at least orthogonally to the central optical axis of the mirror and in the shadow of the mirror.
  • the mirror plate is “associated” with the mirror, that is to say that it is formed of a separate piece fixed to the mirror, for example by screws, or is formed of a rear portion of the mirror.
  • the plates are preferably flat (the mirror plate being orthogonal to the central optical axis and the support plate being orthogonal to the reference axis), but other embodiments are possible. All the articulations of the different connecting rods to the same plate are preferably located in the same plane orthogonal to the reference axis, but other embodiments are possible.
  • the reference axis coincides with the central optical axis of the mirror when the two plates and / or the two planes defined by the articulations, connecting rods (or mirror plate and, respectively, to the support plate) are parallel to each other, in nominal position.
  • the reference axis, fixed and defined with respect to the support therefore corresponds to a nominal position of the central optical axis of the mirror in which the optical system containing the mirror is normally adjusted and operational.
  • the connecting rods are articulated in the vicinity of the periphery of the support plate.
  • the connecting rods therefore extend from the support plate towards the mirror plate inclined towards the reference axis and towards the central optical axis of the mirror, their articulations on the mirror plate being closer to each other and to the 'central optical axis that are their joints on the support plate between them and the reference axis.
  • each connecting rod is a rigid straight rod.
  • each tilt actuator is articulated in the vicinity of the periphery of the mirror plate.
  • the tilt actuators therefore extend from the mirror plate towards the support plate inclined towards the reference axis and towards the central optical axis of the mirror, their articulations on the support plate being closer to one another and to the 'reference axis as are their joints on the mirror plate between them and the central optical axis.
  • This inclination makes it possible to bring the axis known as the actuator axis, passing through the two ends of each tilt actuator, from the tangent to the path of movement of its articulation on the mirror plate, for the benefit of better efficiency and d '' better mechanical efficiency.
  • the device according to the invention can be used for tilt correction around a single axis perpendicular to the reference axis (the tilt correction stage having only one degree of freedom), the pivoting mirror plate in a fixed radial plane containing the reference axis.
  • the tilt stage may comprise only two connecting rods and a single tilt actuator situated in this radial plane.
  • the device according to the invention allows any tilt correction, the tilt correction stage (s) having two degrees of freedom.
  • it comprises three connecting rods uniformly distributed around the reference axis and the central optical axis.
  • the articulations of the connecting rods to the support plate are uniformly distributed at 120 ° from each other around the reference axis and the articulations of the connecting rods to the mirror plate are uniformly distributed at 120 ° from each other around the central optical axis.
  • the device comprises at least two tilt actuators arranged so that the axes, called actuator axes, each passing through the two end joints of a tilt actuator and the reference axis are not coplanar. If two actuators only are provided, they are preferably of the double effect type and oriented in orthogonal radial planes containing the reference axis.
  • the device comprises three tilt actuators uniformly distributed around the reference axis.
  • the three tilt actuators are 120 ° from each other, that is to say oriented in radial planes containing the reference axis and 120 ° from each other in nominal position.
  • Their joints on the mirror plate are distributed uniformly at 120 ° from each other.
  • Their articulations to the support plate are distributed uniformly at 120 ° from each other.
  • the three tilt actuators are arranged between the three connecting rods, each tilt actuator being interposed between two connecting rods at least substantially at equal distance from these two adjacent connecting rods. The device thus has good symmetry and good spatial balance.
  • each tilt actuator is a single-acting motor actuator in a direction of translation relative to the actuator axis and comprises elastic return means in the other direction of translation.
  • each tilt actuator is motor in the direction of the bringing together of its two articulation ends.
  • each tilt actuator is a piezoelectric actuator with amplified displacement without play (with preloaded piezoelectric element (s)) as for example described by FR-2.740.276.
  • Other types of actuators with electrical, mechanical (screws / nuts), thermal (thermal expansion), etc. control can be used in a device according to the invention. In all cases, the control signal is simple to develop, since it is proportional to the desired displacement.
  • each connecting rod to the plates are of cardan joint types allowing pivoting of modification of inclination of the rod axis relative to the plates but prohibiting relative rotations around the connecting rod axis.
  • each connecting rod is integral in rotation about its rod axis (direction passing through its two end joints) relative to each of the two plates.
  • Such universal joints can be produced by parts provided with slots and / or suitable shapes machined in the mass, so as to be elastic in bending but rigid in torsion, and free from dynamic friction.
  • each tilt actuator to the plates are of cardan joint types allowing pivoting of modification of inclination of the actuator axis relative to the plates, but prohibiting relative rotations around the actuator axis.
  • Each tilt actuator is therefore also integral in rotation about its actuator axis with respect to each of the two plates.
  • the device further comprises a stage, called the refocusing stage, for correcting the position of the support plate in translation along the reference axis and / or in translation perpendicular to this axis of reference.
  • the refocusing stage being interposed between the support and the support plate of the tilt correction stage (s), a refocusing correction does not cause lateral rejection relative to the axis reference.
  • the refocusing stage is adapted to allow only a translation of the support plate along the reference axis.
  • the device according to the invention consisting of the refocusing stage and the tilt correction stage (s) has three degrees of freedom and allows corrections in axial position and tilt (s).
  • the refocusing stage comprises at least one linear actuator, called refocusing actuator, extending parallel to the reference axis between the support plate and the support.
  • the refocusing stage may have several degrees of freedom.
  • the refocusing stage comprises several refocusing actuators capable of carrying out translations in directions parallel to the reference axis but not coincident with this reference axis, so as to allow translations of the support plate perpendicular to the reference axis.
  • it comprises three refocusing actuators regularly distributed around the reference axis.
  • the refocusing stage has three degrees of freedom.
  • the device according to the invention can then have five degrees of freedom (the tilt correction stage (s) having two degrees of freedom).
  • the command is not strictly proportional since the tilt correction stage must compensate for the tilt displacement induced by the refocusing stage. Nevertheless, it remains proportional in the case of displacements in refocusing and in tilts.
  • the invention extends to an optical system - in particular a space telescope with Cassegrain mounting or Newton mounting, and in particular intended to be carried on board a space system - comprising at least one mirror with central optical axis and optical center - in particular a secondary mirror and at least one support for such a mirror, characterized in that it comprises at least one device according to the invention for mounting and correcting the position of a mirror with respect to a support.
  • the optical system comprises a device according to the invention for each mirror, called secondary mirror, at least partially masking the light flux incident on the optical system and / or the light flux passing through the optical system.
  • the invention also relates to a device for mounting and correcting the position of a mirror, and to an optical system characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned below or below.
  • Figure 1 is a axial section diagram illustrating a Cassegrain mounting telescope according to the invention comprising a device according to the invention for mounting and correcting the position of the secondary mirror,
  • FIGS. 2a and 2b are block diagrams, in nominal position and, respectively, in a position other than nominal, of a variant of a tilt correction stage in a radial plane, to a degree of freedom, illustrating the principle of a device according to the invention
  • FIG. 3 is a view in axial section of a first preferred embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 4 is an axial view of the device according to the invention according to arrow F in FIG. 3, shown without the mirror plate or the central bracket for purposes of illustration,
  • FIG. 5 is an axial sectional view of an end articulation of a connecting rod or a tilt actuator of the tilt correction stage (s) of the device according to the invention of Figure 3
  • FIG. 6 is a sectional view along the line NI-NI of FIG. 5,
  • FIG. 7 is a schematic profile view of a second embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view along the line NUI-VIII of FIG. 7,
  • FIGS. 9 to 12 are diagrams illustrating the results of an example of simulation of the device according to the invention of FIGS. 3 and 4 and respectively representing the strokes of the tilt actuators, the tilt stroke of the mirror, the lateral rejection, and axial rejection.
  • Figure 1 is a block diagram of a Cassegrain mounting telescope according to the invention comprising a cylindrical shaft 1 intended to be fixed, by means of a mount (not shown) to a fixed structure of a space system such as a satellite, or on a fixed terrestrial structure.
  • a main concave parabolic mirror 3 is fixed to the end 4 of the barrel 1 opposite to the entrance opening of the telescope (not shown).
  • a convex parabolic secondary mirror 5 with axial symmetry reflects the light coming from the main mirror 3 towards an eyepiece 6 passing through the main mirror 3 at its center.
  • the secondary mirror 5 is fixed to the barrel 1 by rods or cables 7 extending radially, as thin as possible, so as not to interfere with the incident light flux 2.
  • the rods or cables 7 maintain a support 8 in general shape flange, in the central position of the barrel 1, that is to say centered axially on its main axis 10 (which constitutes the reference axis 10 of the telescope) and extending orthogonally to this main axis.
  • the secondary mirror 5 is mounted relative to the support 8 by means of a device 9 for mounting and position correction according to the invention.
  • this device 9 is located in the shadow of the mirror 5, that is to say, does not interfere with the incident light flux 2 which passes around the secondary mirror 5, nor with the flux reflected light from the main mirror 3 incident on the secondary mirror 5, nor with the light flux reflected by the secondary mirror 5 towards the eyepiece 6.
  • this means that the device 9 is located entirely inside the cylinder of revolution imaginary which extends the secondary mirror 5 axially opposite the main mirror 3.
  • the support 8 also extends in the shadow of the mirror 5.
  • the secondary mirror 5 has an optical center O, and a central optical axis ZZ 'which is its axis of symmetry.
  • the optical center O In the nominal position of the secondary mirror 5, the optical center O must be on the axis of symmetry 10 of the barrel 1, and the central optical axis ZZ 'of the mirror 5 must coincide with this axis 10 of symmetry of the barrel 1.
  • the device 9 according to the invention comprises a tilt correction stage 11 for adjusting the angular position of the central optical axis ZZ 'of the secondary mirror 5 by with respect to the axis of symmetry 10 and by pivoting around the optical center O.
  • the stage 11 of tilt correction (s) has the function of adjusting the position of the secondary mirror 5 by pivoting around any axis of pivoting orthogonal to the axis of symmetry 10 and passing through the optical center O.
  • the tilt correction stage 11 extends between two plates, one of which, called the mirror plate 12, is associated with a rear face 34 of the secondary mirror 5, while the other, said support plate 13 is associated with the support 8 via a stage, called refocusing stage 14 making it possible to adjust the position of the optical center O of the secondary mirror 5 along of the reference axis of symmetry 10.
  • the two plates 12, 13 extend in the shadow of the secondary mirror 5.
  • the device 9 according to the invention extends in the shadow of the mirror 5, between its rear face 34 and the support 8, also in the shadow of the mirror 5.
  • FIGS. 2a and 2b are block diagrams for understanding the general kinematics of a tilt correction stage 11 (s) of a device 9 according to the invention.
  • the invention is preferably applicable for carrying out a correction in tilt (s) along any pivot axis orthogonal to the reference axis 10 passing through the optical center O. It can also be applied in order to achieve this correction only along a single pivot axis, that is to say in a single plane radial to the axis 10.
  • Figures 2a and 2b illustrate a tilt correction performed in a single radial plane, which corresponds to that of the figures .
  • the stage 11 comprises two rigid connecting rods 15, called connecting rods 15, connecting the two plates 12, 13, each of these connecting rods 15 being fixed by a hinge 16 from one of its ends to the plate mirror 12 and by another articulation 17 from its other end to the support plate 13.
  • the articulations 17 of the connecting rods 15 to the support plate 13 are equidistant from the reference axis 10.
  • the connecting rods 15 are fixed to the two plates 12, 13 so as to extend between these two plates 12, 13 and, when the plates 12, 13 are in the nominal position shown in FIG. 2a where the optical axis ZZ 'of the mirror 5 coincides with the reference axis 10, with the straight directions, called the connecting rod axis 18 (which are those each passing through the two articulations 16, 17 at the end of each connecting rod 15) which are intersecting at the optical center O of the mirror 5.
  • the connecting rod axes 18 are all intersecting at a single point of intersection J which, in nominal position, coincides with the optical center O of the mirror 5 and is therefore located on the reference axis 10.
  • the connecting rod axes 18 have the same angular inclination relative to the reference axis 10 in the nominal position. In this nominal position, the connecting rod axes 18 (and the connecting rods 15) are symmetrical with respect to the reference axis 10 (in the variant of FIGS. 2a, 2b). In FIGS. 2a, 2b, the connecting rods 15 are shown in the form of simple rigid rods extending along their connecting rod axis 18. It is nevertheless clear that the connecting rods 15 can have any other sinuous or tormented shape, from when they are rigid, that is to say that the two articulations 16, 17 of the end of each connecting rod 15 remain rigidly connected to one another by means of the connecting rod 15.
  • L 11 tilt correction stage (s) further comprises at least one linear actuator, said tilt actuator 19, motorized, interposed between the two plates 12, 13 and fixed by a hinge 20 from one of its ends to the plate mirror 12 and by another articulation 21 from its other end to the support plate 13.
  • a linear actuator 19 When such a linear actuator 19 is activated, the distance between the two articulations 20, 21 is modified by relative translation of its articulations 20, 21 in a direction fix e, called the actuator axis 22.
  • Each linear actuator 19 is fixed to the two plates 12, 13 and is adapted so that, when activated, the mirror plate 12 inclines relative to the support plate 13.
  • the joints 20 tilt actuators 19 to the mirror plate 12 are equidistant from the central optical axis ZZ 'of the mirror 5.
  • the articulations 21 of the tilt actuators 19 to the support plate 13 are equidistant from the reference axis 10. In nominal position, the actuator axes 22 have the same angular inclination relative to the reference axis 10.
  • the connecting rods 15 intersect at the optical center O, when the mirror plate 12 inclines relative to the support plate 13, the secondary mirror 5 pivots at least substantially around its optical center O.
  • the theoretical trajectory of the optical center O in this kinematics during the relative pivotings of the plates 12, 13 in fact presents a turning point I located on the reference axis 10 and a tangent to the cusp point I which coincides with the reference axis 10.
  • the cusp point I coincides with the optical center O of the mirror 5 when the two plates 12, 13 are in nominal parallel position between them, that is to say when the joints 16, 17, 20, 21 are in a position such that the mirror 5 has a correct angular position (generally orthogonal) relative to the reference axis 10, and that the point of intersection J of the connecting rod axes 18 is on the reference axis 10.
  • FIG. 2b represents a non-nominal position in which the optical axis ZZ ′ of the mirror 5 is angularly offset relative to the reference axis 10.
  • the optical center O has shifted along its path 23 and is therefore distinct from the point of reversal I of this trajectory 23. Nevertheless, because of the shape of this trajectory 23 at the point of reversal I, the optical center O has moved laterally (in a direction radial to the axis 10 of reference) only perfectly negligible, and extremely slightly along the reference axis 10. We can therefore consider that the mirror 5 has in fact pivoted around the optical center O.
  • the connecting rod axes 18 are then intersecting at a point J which no longer coincides with the optical center O of the mirror 5 and n ' is more on the reference axis 10 nor on the central optical axis ZZ ′ of the mirror 5.
  • the connecting rods 15 are articulated in the vicinity of the periphery of the support plate 13
  • the articulations 17 of the connecting rods 15 to the support plate 13 are radially distant from one another by a distance greater than the distance separating the articulations 16 from the connecting rods 15 to the mirror plate 12 from each other, so that the connecting rod axes 18 can be inclined and meet at the optical center O in the nominal position.
  • each tilt actuator 19 is articulated in the vicinity of the periphery of the mirror plate 12, and its articulation 20 to the mirror plate 12 is farther from the reference axis 10 than is its articulation 21 to the support plate 13.
  • the actuator axis 22 must be positioned so as to be as close as possible to the tangent to the circular path 24 traversed by the articulation 20 of the tilt actuator 19 to the mirror plate 12 during the pivoting of the mirror plate 12 as imposed by the kinematics of the connecting rods 15.
  • the actuator 19 has the most efficiency, the force exerted being at least substantially perpendicular to the lever arm defined between the articulation 20 where this force is exerted and the optical center O of the mirror 5 which is the center of rotation.
  • the maximum tilt correction value obtained by modeling is 1350 rad, with lateral rejections limited to 0.0001 ⁇ m and axial rejections limited to 0.25 ⁇ m.
  • tilt actuators 19 of the double-acting type are used, that is to say capable of being driven in both directions of translation along the axis of actuator 22, a single tilt actuator 19 would be sufficient to rotate the mirror 5 in a radial plane in one direction and in the other.
  • the tilt actuators 19 are of the single-acting type, that is to say motors in a single direction of translation relative to the actuator axis 22 - in particular in the direction of the bringing together of its two articulation ends (20, 21) - and comprises elastic return means in the other direction of translation, that is to say in the direction of separation relative of its two articulation ends (20, 21).
  • Each tilt actuator 19 is preferably a piezoelectric actuator with amplified displacement without play, with piezoelectric element (s) being prestressed as described for example in patent FR-2,740,276 or in US-3,274. 537.
  • a piezoelectric actuator comprises a mechanical amplification structure 25, for example of generally elliptical or polygonal shape defining two opposite elastic flexible arcs and a piezoelectric device 26 extending between the two arcs of the structure 25.
  • the structure 25 has a large axis and the piezoelectric device 26 extends along the major axis of this structure 25.
  • the piezoelectric device 26 When the piezoelectric device 26 is supplied, its length increases, so that the major axis of the structure 25 increases and that its minor axis (perpendicular to the major axis) ) decreases in length.
  • the joints 20, 21 are associated with each of the arcs of the structure 25 along the minor axis of the structure 25.
  • the structure 25 When the piezoelectric device 26 is no longer supplied, the structure 25 returns to its rest position by elasticity in bending of the arcs .
  • the structure 25 may be slightly extended relative to its rest position, that is to say with the minor axis increasing in length, the piezoelectric device 26 being compressed, and this under the effect of a tensile force exerted between the two joints 20, 21.
  • Such a piezoelectric actuator 19 has many advantages: it is compatible with use on board a spacecraft (can withstand strong accelerations, extreme vacuum conditions is free of parts in relative dynamic friction, and has a very long duration life), it makes it possible to exert relatively large forces (from 100 to 1500 Newtons) for a low weight (of the order of 150 to 200 g) and with small strokes (of the order of 50 to 200 ⁇ m ).
  • an actuator reference APA120ML marketed by the company CEDRAT RECHERCHE (FRANCE).
  • the device according to the invention allows a tilt correction in any direction of space, that is to say in any radial plane of the reference axis 10.
  • the device comprises three rigid connecting rods 15 uniformly distributed around the reference axis 10 and the central optical axis ZZ '.
  • the device comprises at least two tilt actuators 19 arranged so that the actuator axes 22 and the reference axis 10 are not coplanar.
  • the device comprises three tilt actuators 19 uniformly distributed around the reference axis 10 as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the three tilt actuators 19 can be arranged between the three connecting rods 15, each tilt actuator 19 being interposed between two connecting rods 15 at least substantially at equal distance from these adjacent connecting rods ( Figure 4).
  • the connecting rods 15 have the same inclination relative to the reference axis 10 in the nominal position. The same applies to the tilt actuators 19. Again, the connecting rod axes 18 intersect at a single point J which, in the nominal position where it is on the reference axis 10, coincides with the optical center 0 of the mirror 5.
  • the stage 11 of tilt correction (s) maintains the two plates 12, 13 relative to one another by preventing their relative rotation (in torsion) around the axis 10 of reference.
  • the joints 16, 17 of each connecting rod 15 to the plate 12, 13 are of the universal joint type allowing the pivoting movements of inclination of the rod axis 18 relative to the plates 12, 13, but prohibiting clean relative rotations (torsion) around the connecting rod axis 18.
  • the two end articulations 16, 17 of a connecting rod 15 are integral in clean rotation around the connecting rod axis 18 l one of the other.
  • these articulations 16, 17 allow modifications of inclination of the rod axis 18 with respect to each of the plates 12, 13.
  • the articulations 20, 21 of each tilt actuator 19 to the plates 12, 13 are of type with universal joint allowing modifications of inclination of the actuator axis 22 with respect to each of the plates 12, 13, but prohibiting proper relative rotations (torsion) around the actuator axis 22.
  • the articulations 16, 17 of the connecting rods 15 are chosen with an axial stiffness of the order or greater than 200 N / ⁇ m, an angular stiffness of 20 to 60 Nm / rad - in particular of the order of 40 Nm / rad- by a stroke of 0.1 ° to 1 ° - in particular of the order of 0.5 ° - in each direction.
  • the articulations 20, 21 of the tilt actuators 19 are chosen with an axial stiffness of the order of or greater than 100 N / ⁇ m, an angular stiffness of 10 to 40 Nm / rad - in particular of the order of 22 Nm / rad - for a stroke of 0.1 ° to 1 ° - in particular of the order of 0.5 ° - in each direction.
  • the articulations 16, 17 of the connecting rods 15 have the same angular inclination stroke but are axially stiffer and in flexion than the articulations 20, 21 of the tilt actuators 19. In fact, it is essentially the connecting rods 15 which impose the kinematics and support the constraints.
  • Such joints 16, 17, 20, 21 of the universal joint type can be produced for example by flexible connections formed from split steel blocks such as the universal joints P.176.50 for the tilt actuators 19 and P.176.60 for the connecting rods 15 sold by the company PHYSIK INSTRUMENT (WALDBRONN, GERMANY). These cylindrical blocks are shown in more detail in FIGS. 5 and
  • Two blind end threads 35, 36 comprise two blind end threads 35, 36, coaxial, for their attachment to the parts to be connected (on one side to a plate 12, 13, on the other to an actuator 19 or a connecting rod 15).
  • Two slots 37a, 37b extend on each side of a first thickness of diameter 38 according to planes inclined towards the outside and towards the first thread 35 up to the periphery of the cylindrical block. The same arrangement is found in the other direction towards the second tapping 36 and at 90 °.
  • Two slots 39a, 39b (not visible, only in dotted lines in the figures) extend on each side of a second diametrical thickness 40, according to planes inclined outwards and towards the second internal thread 36 up to the periphery of the cylindrical block.
  • the two thicknesses 38, 40 are 90 ° from each other and form a cross connecting the two threads 35, 36 which can be inclined slightly relative to each other by bending one and / or the other thicknesses 38, 40, depending on the width of the slots 37a, 37b, 39a, 39b.
  • connections are free from parts in relative motion and are not subject to wear. They are compatible with boarding a spacecraft. The same applies to piezoelectric linear actuators which are free of parts with dynamic friction.
  • the device 9 according to the invention also comprises a refocusing stage 14 which makes it possible to adjust the position of the support plate 13 relative to the support 8 in translation along the reference axis 10.
  • This refocusing stage 14 comprises a refocusing actuator 27 which can be identical to the tilt actuators 19, that is to say a linear piezoelectric single action actuator with elastic return with amplified displacement, and without play.
  • the actuator 27 is fixed to the center of the support 8 on one side by lower articulation 32, and on the other side by an upper articulation 33, to a bracket 28 secured to the support plate 13 and extending between the mirror plate 12 and the support plate 13 between the connecting rods 15 and the tilt actuators 19, in the axial central part.
  • the refocusing actuator 27 is disposed between the two plates 12, 13 and the axial size of the device 9 is reduced.
  • the bracket 28 is a radial disc connected to the support plate 13 by three uprights 30.
  • the support plate 13 is pierced in its center with a strap 31 for the passage of the lower articulation 32 of the refocusing actuator 27 and its fixing to the support 8.
  • the bracket 28 is not shown to illustrate the uprights 3a and the refocusing actuator 27.
  • the lower 32 and upper 33 joints of the refocusing actuator 27 may be similar to those 1 -, 17, 20, 21 connecting rods 15 and tilt actuators 19, that is to say universal joints formed of split blocks ( Figures 5 and 6).
  • the support plate 13 is maintained and centered relative to the support 8 by means of two metal rings 29 which extend radially between the support 8 and the support plate 13 while being rigidly fixed to the support 8 and to the support plate 13 by appropriate crowns or spacer plates and screws as shown in FIG. 3.
  • the support plate 13 has a peripheral skirt 41 to cover a narrowing 42 of the support 8 between which the crowns 39 are placed.
  • These rings 29 allow relative axial movement of the support plate 13 relative to the support 8 but provide a radial support, in torsion and in tilting of these two parts relative to each other.
  • the refocusing stage 14 is adapted to allow translations perpendicular to the reference axis 10.
  • the refocusing stage 14 comprises several refocusing shareholders 27a, 27b, 27c not coincident with the reference axis 10 but parallel to this reference axis 10 so as to be able to induce tilting of the support plate 12 relative to the support 8.
  • the refocusing stage 14 comprises three refocusing actuators 27a, 27b, 27c distributed around the reference axis 10. This embodiment makes it possible to produce five degrees of freedom (the three degrees of freedom in tilts and refocusing as previously plus two radial translations to the axis 10) on the device 9 according to the invention.
  • the axis of the single refocusing actuator 27 coincides with the reference axis 10.
  • the connecting rods 15 are steel bars 8 mm in diameter and 25 mm in length, with 400 N / ⁇ m stiffness.
  • the aluminum crowns 29 have a thickness of 0.5 mm, a width of 10 mm for an average diameter of 150 mm. They are spaced 20 mm apart from each other axially.
  • An axial stiffness of the order of 9 N / ⁇ m is obtained for a maximum force of 2,215 N (on the basis of a maximum stress taken at 195 MPa or 75% of the elastic limit), a stiffness in bending of the support plate 13 compared to support 8 of the order of 300,000 Nm / rad for a maximum effort of 4,250 Nm, and a transverse stiffness of the order of 2,450 N / ⁇ m, for a maximum effort of 68,373 N.
  • FIG. 9 represents the variation over time of the strokes of the tilt actuators 19 when only one of the three tilt actuators 19 is supplied.
  • the latter has a negative travel of the order of 90 ⁇ m and the other two have a positive travel (in extension) of the order of 30 ⁇ m.
  • FIG. 10 represents the variation over time of the angular pivoting stroke obtained on the secondary mirror 5 (in microradians). As can be seen, an angular travel of 540 ⁇ rad can be obtained from the nominal position in one direction or another. It should also be noted that when the various tilt actuators 19 are not supplied with power, the two plates 12, 13 return to the nominal position parallel to one another.
  • FIG. 11 represents the lateral displacements induced in the lateral direction orthogonal to Reference tax 10 and to Tax around which the pivoting of the mirror 5 has been carried out. As we as seen, the lateral rejections reach a value of the order of 0.15 ⁇ m at the maximum of the stroke and are therefore negligible in practice.
  • FIG. 12 represents the axial displacements induced by the pivoting in tilt, that is to say the axial rejections according to Reference tax 10.
  • the axial rejection is of the order of 4.2 ⁇ . This rejection can be easily corrected by means of the refocusing stage 14.
  • the maximum stroke of the refocusing actuator 27 is 68 ⁇ m, which is sufficient in particular to compensate for axial rejection.
  • the tilt actuators 19 work on barely 3/4 of their idle stroke.
  • the device according to the invention is therefore stiff enough to undergo the constraints of a space launch (modes greater than 100 Hz) and microvibrations in flight (modes greater than 150 Hz).
  • the invention can be the subject of numerous variants and applications other than those described above by way of example. It applies in particular to other optical systems than Cassegrain telescopes, for example Newton telescopes or optical systems with several secondary mirrors (interference, ...), in spacecraft or on terrestrial sites.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de montage et de correction de la position par rapport à un support (8) d'un miroir (5) comprenant un étage (11) de correction en tilt(s) s'étendant entre un plateau miroir (12) et un plateau support (13) et comportant au moins deux bielles de liaison (15) définissant des axes (18) de bielle sécants au moins sensiblement au centre optique (O) du miroir (5), et au moins un actionneur linéaire (19) adapté pour que le miroir (5) puisse pivoter autour de son centre optique (O). L'invention s'étend à un système optique tel qu'un télescope spatial Cassegrain.

Description

DISPOSITIF DE MONTAGE ET DE CORRECTION DE LA POSITION D'UN MIROIR S'ETENDANT DANS L'OMBRE DU MIROIR ET SYSTEME OPTIQUE
EQUIPE DE CE DISPOSITIF
L'invention concerne un dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir s'étendant dans l'ombre de ce miroir. Elle s'étend à un système optique équipé d'un tel dispositif.
Certains systèmes optiques comportent un ou plusieurs miroirs masquant partiellement le flux lumineux incident et/ou le flux lumineux traversant le système optique. Tel est en particulier le cas d'un miroir secondaire d'un télescope à montage Cassegrain ou Newton. Dès lors, les dimensions radiales de ces miroirs doivent être aussi faibles que possibles, et les dispositifs nécessaires à leur montage ou à la correction de leur position dans le système optique doivent le moins possible masquer le flux lumineux incident résiduel (non masqué par le miroir) et principalement s'étendre dans l'ombre du miroir.
Par ailleurs, dans certaines applications, la position d'un tel miroir, essentielle au bon fonctionnement du système optique, doit pouvoir faire l'objet de réglages. Tel est en particulier le cas dans les systèmes optiques embarqués sur systèmes spatiaux (satellites, navettes, stations spatiales, sondes, lanceurs, ...) afin de parfaire leurs propriétés optiques qui peuvent se dégrader lors du lancement ou au cours du vol, notamment à cause des effets thermoélastiques.
FR-2.773.890 décrit ainsi un exemple de dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir comprenant un mécanisme à actionneurs motorisés pouvant s'étendre dans l'ombre d'un miroir secondaire de télescope spatial. Néanmoins, les dispositifs connus de montage et de correction s'étendant dans l'ombre des miroirs présentent l'inconvénient d'une commande complexe, non proportionnelle. Ainsi, la commande d'un déplacement en vue de corriger un défaut entraîne d'autres déplacements parasites, généralement qualifiés de "réjections" (de l'anglais "rejections") qui doivent ensuite être corrigés. Dès lors, la correction d'un défaut nécessite des degrés de liberté supplémentaires et un asservissement pour compenser les réjections. Par exemple, le dispositif de FR-2.773.890, permet d'effectuer des déplacements selon six degrés de liberté.
Il est à noter à cet égard que les réjections ne sont pas en général parallèles aux axes des actionneurs, de sorte que les compensations sont complexes et/ou peuvent nécessiter plusieurs étapes. Un asservissement électronique en boucle fermée, complexe, doit aussi être prévu pour réaliser cette compensation. De surcroît, l'élaboration du signal de commande est complexe, ce signal de commande n'étant pas proportionnel au déplacement à réaliser. Or, cette complexité grève le coût de développement et de fabrication des moyens (en général électroniques) de commande et en affecte la fiabilité de fonctionnement. Elle en augmente aussi considérablement l'encombrement, le poids et la consommation énergétique, ce qui constitue un inconvénient important dans certaines applications telles que les applications spatiales.
En outre, avec ces dispositifs connus, la position par défaut prise en l'absence d'alimentation des actionneurs, par exemple en cas de défaillance du système de commande, est éloignée de la position nominale mécanique de fonctionnement du système optique, ce qui affecte la fiabilité du dispositif, le fonctionnement du système optique étant dégradé (résolution diminuée) en cas de défaillance de l'électronique de commande, ce qui peut être rédhibitoire dans certaines applications.
L'invention vise donc à proposer un dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir -notamment un miroir à symétrie axiale- s'étendant dans l'ombre du miroir, pouvant être piloté avec des moyens de commande simples, légers, peu encombrants et de faible consommation énergétique. L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif permettant d'effectuer des corrections de type linéaires, c'est-à-dire dont le signal de commande est proportionnel aux déplacements de correction à effectuer. L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif exempt de réjections non alignées aux axes des actionneurs, et notamment au moins sensiblement exempt de réjections latérales.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif comprenant un nombre de degrés de liberté correspondant au nombre de mouvements de correction à réaliser en translation et/ou en rotation -notamment un dispositif apte à corriger la position du miroir en refocalisation (translation selon un axe de référence correspondant normalement à l'axe optique) et en tilt(s) (rotation(s) autour de l'un au moins de deux axes transversaux perpendiculaires à l'axe de référence et entre eux), à l'aide de trois degrés de liberté-.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif qui soit compatible avec une utilisation à bord d'un système spatial tel qu'un satellite, une sonde, une station orbitale, une navette, un lanceur, ... et qui notamment puisse résister aux efforts de lancement et au vide spatial, être de faibles poids, encombrement et coûts de fabrication et d'utilisation (notamment en termes de consommation énergétique), présente une grande durée de vie, et permette des corrections de position du miroir fiables et précises, commandées à distance.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif qui permette d'effectuer des corrections en position axiale (refocalisation) sur une course (dans chaque sens) de l'ordre de 50 μm à 100 μm avec une résolution inférieure à 0,1 μm, notamment de l'ordre de 0,05 μm, et en tilt(s) sur une course (dans chaque sens) de l'ordre de 500 μrad avec une résolution inférieure à 1 μrad, notamment de l'ordre de 0,5 μrad, et avec des réjections latérales inférieures à 1 μm.
L'invention vise aussi plus particulièrement à proposer un tel dispositif présentant des modes propres supérieurs à 195 Hz, une masse inférieure à 2,5 kg, et pouvant supporter un miroir de 3 kg sous 60 g d'accélération.
Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif de montage et de correction de la position par rapport à un support d'un miroir présentant un axe optique central -notamment constituant un axe de symétrie du miroir- et un centre optique comprenant un mécanisme à actionneurs motorisés s'étendant dans l'ombre du miroir entre le support et une face postérieure du miroir, caractérisé en ce qu'il comprend un étage de correction en tilt(s) s'étendant entre deux plateaux, dont l'un, dit plateau miroir, est associé au miroir, tandis que l'autre, dit plateau support, est associé au support, cet étage de correction en tilt(s) comportant :
- au moins deux bielles rigides, dites bielles de liaison, reliant les deux plateaux, chacune de ces bielles de liaison étant fixée par une articulation de l'une de ses extrémités au plateau miroir et une autre articulation de son autre extrémité au plateau support, les bielles de liaison étant fixées auxdits plateaux de façon à s'étendre entre ces deux plateaux et, lorsque les deux plateaux sont dans une position relative, dite position nominale, dans laquelle l'axe optique central du miroir coïncide avec une direction fixe, dite axe de référence, avec les directions droites, dites axes de bielle, passant chacune par les deux articulations des extrémités de chaque bielle de liaison qui sont sécantes au moins sensiblement au centre optique du miroir, - au moins un actionneur linéaire, dit actionneur de tilt, interposé entre les deux plateaux et fixé par une articulation de l'une de ses extrémités au plateau miroir et par une autre articulation de son autre extrémité au plateau support, chaque actionneur de tilt étant fixé aux plateaux et étant adapté pour que, lorsqu'au moins un actionneur de tilt est activé, la distance entre ses extrémités étant modifiée, le plateau miroir s'incline par rapport au plateau support, le miroir pivotant au moins sensiblement autour de son centre optique.
L'inventeur a en effet démontré qu'un tel dispositif présente une cinématique de fonctionnement particulière dans laquelle les réjections à composante latérale imparties par une correction en tilt(s) sont extrêmement faibles et en fait négligeables. En effet, on peut démontrer que la trajectoire suivie par le centre optique du miroir suite aux corrections en tilt(s) présente un point de rebroussement correspondant à la position neutre initiale de ce centre optique (dans laquelle les bielles de liaison sont symétriques par rapport à l'axe optique du miroir, les deux plateaux étant en position nominale, parallèles entre eux avec une tangente en ce point de rebroussement coïncidant avec l'axe de référence (et avec l'axe optique central du miroir). De ce fait, le signal commande de chaque actionneur de tilt peut être proportionnel au déplacement à réaliser, et il en résulte une simplification considérable du dispositif lui-même et de ses moyens de commande. II est à noter que DE-3837770 décrit un dispositif de positionnement d'un miroir auxiliaire de télescope permettant de réaliser des mouvements de « hachage » alternatif de forte accélération, sans électro-aimant ni rappel élastique, pour orienter l'axe optique du télescope sur une zone du ciel entourant une étoile à observer dans les infrarouges, afin de pouvoir supprimer le bruit de fond du signal par soustraction. La solution préconisée dans ce document consiste à utiliser un système oléodynamique comprenant des vérins hydrauliques parallèles à l'axe optique du miroir, fixés entre une plaque de base et le miroir ; des vérins hydrauliques de contrôle de position dont les axes passent par le centre de gravité du miroir dont la rotation est effectuée autour de ce centre de gravité ; des paires de bras articulés s'étendant axialement parallèlement à l'axe optique entre la plaque de base et le miroir pour réaliser un blocage en rotation autour de l'axe optique ; des vérins hydrauliques s'étendant également entre la plaque de base et le miroir pour permettre de modifier la forme de ce miroir en vue de compenser les éventuelles déformations résultant de ces mouvements. Dans ce document, le miroir est pivoté autour de son centre de gravité, ce qui ne permet pas de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus.
La publication « nutating subreflector for a millimeter wave télescope » RADFORD SJE and al. American Review of Physics - New York - US - vol. 61 - n° 3 - 1er mars 1990 - p. 953-959 décrit également un dispositif qui permet de réaliser des mouvements de nutation afin de supprimer le bruit de fond dans le cadre d'une observation infrarouge. Le dispositif prévu comprend deux moteurs électriques à tiges d'actionnement mobiles en translation parallèlement à l'axe optique du miroir, de chaque côté. Les deux moteurs sont montés sur des bras pivotant selon un axe de pivotement parallèle à l'axe de pivotement du miroir. On obtient ainsi une structure assimilable à un parallélogramme déformable avec lequel le miroir n'est pas pivoté autour de son centre optique. Un système de commande en boucle fermée particulièrement complexe doit être prévu. Là encore, ce document ne permet pas de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus.
Dans tout le texte, par "plateau", on désigne toute pièce rigide s'étendant au moins orthogonalement à l'axe optique central du miroir et dans l'ombre du miroir. Le plateau miroir est "associé" au miroir, c'est-à-dire qu'il est formé d'une pièce distincte fixée au miroir, par exemple par des vis, ou est formé d'une portion postérieure du miroir.
Les plateaux sont de préférence plans (le plateau miroir étant orthogonal à l'axe optique central et le plateau support étant orthogonal à l'axe de référence), mais d'autres formes de réalisation sont possibles. Toutes les articulations des différentes bielles de liaison à un même plateau sont de préférence situées dans un même plan orthogonal à l'axe de référence, mais d'autres formes de réalisation sont possibles. Dans l'un et/ou l'autre de ces modes de réalisation préférentiels, l'axe de référence coïncide avec l'axe optique central du miroir lorsque les deux plateaux et/ou les deux plans définis par les articulations, des bielles de liaison (ou plateau miroir et, respectivement, au plateau support) sont parallèles entre eux, en position nominale. L'axe de référence, fixe et défini par rapport au support, correspond donc à une position nominale de l'axe optique central du miroir dans laquelle le système optique contenant le miroir est normalement réglé et opérationnel.
Avantageusement et selon l'invention, les bielles de liaison sont articulées au voisinage de la périphérie du plateau support. Les bielles de liaison s'étendent donc à partir du plateau support vers le plateau miroir incliné vers l'axe de référence et vers l'axe optique central du miroir, leurs articulations sur le plateau miroir étant plus proches les unes des autres et de l'axe optique central que ne le sont leurs articulations sur le plateau support entre elles et de l'axe de référence. De préférence, avantageusement et selon l'invention, chaque bielle de liaison est une tige droite rigide. D'autres formes de réalisation sont possibles. A l'inverse, avantageusement et selon l'invention, chaque actionneur de tilt est articulé au voisinage de la périphérie du plateau miroir. Les actionneurs de tilt s'étendent donc à partir du plateau miroir vers le plateau support incliné vers l'axe de référence et vers l'axe optique central du miroir, leurs articulations sur le plateau support étant plus proches les unes des autres et de l'axe de référence que ne le sont leurs articulations sur le plateau miroir entre elles et de l'axe optique central. Cette inclinaison permet de rapprocher l'axe dit axe d'actionneur, passant par les deux extrémités de chaque actionneur de tilt, de la tangente à la trajectoire de déplacement de son articulation sur le plateau miroir, au bénéfice d'une meilleure efficacité et d'un meilleur rendement mécanique.
Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour la correction en tilt autour d'un seul axe perpendiculaire à l'axe de référence (l'étage de correction en tilt ne présentant qu'un seul degré de liberté), le plateau miroir pivotant dans un plan fixe radial contenant à l'axe de référence. Dans cette variante, l'étage de tilt peut ne comporter que deux bielles de liaison et un seul actionneur de tilt situé dans ce plan radial.
Dans une autre variante d'application, le dispositif selon l'invention permet toute correction de tilt, l'étage de correction en tilt(s) présentant deux degrés de liberté. Avantageusement et selon l'invention, il comprend trois bielles de liaison uniformément réparties autour de l'axe de référence et de l'axe optique central. Les articulations des bielles de liaison au plateau support sont réparties uniformément à 120° les unes des autres autour de l'axe de référence et les articulations des bielles de liaison au plateau miroir sont réparties uniformément à 120° les unes des autres autour de l'axe optique central. Dans cette variante, avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend au moins deux actionneurs de tilt disposés de telle sorte que les axes, dits axes d'actionneurs, passant chacun par les deux articulations d'extrémité d'un actionneur de tilt et l'axe de référence ne soient pas coplanaires. Si deux actionneurs seulement sont prévus, ils sont de préférence de type double effet et orientés dans des plans radiaux orthogonaux contenant l'axe de référence.
Dans un autre mode de réalisation avantageux et selon l'invention, le dispositif comprend trois actionneurs de tilt uniformément répartis autour de l'axe de référence. Les trois actionneurs de tilt sont à 120° les uns des autres, c'est-à-dire orientés dans des plans radiaux contenant l'axe de référence et à 120° les uns des autres en position nominale. Leurs articulations au plateau miroir sont réparties uniformément à 120° les unes des autres. Leurs articulations au plateau support sont réparties uniformément à 120° les unes des autres. Avantageusement et selon l'invention, les trois actionneurs de tilt sont disposés entre les trois bielles de liaison, chaque actionneur de tilt étant interposé entre deux bielles de liaison au moins sensiblement à égale distance de ces deux bielles de liaison adjacentes. Le dispositif présente ainsi une bonne symétrie et un bon équilibrage dans l'espace.
Dans ce mode de réalisation notamment, avantageusement et selon l'invention, chaque actionneur de tilt est un actionneur simple effet moteur dans un sens de translation par rapport à l'axe d'actionneur et comprend des moyens de rappel élastique dans l'autre sens de translation. Avantageusement et selon l'invention, chaque actionneur de tilt est moteur dans le sens du rapprochement de ses deux extrémités d'articulation. Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, chaque actionneur de tilt est un actionneur piézoélectrique à déplacement amplifié sans jeu (à élément(s) piézoélectrique(s) précontraint(s)) comme par exemple décrit par FR-2.740.276. D'autres types d'actionneurs à commande électrique, mécanique (vis/écrous), thermique (dilatation thermique), ... peuvent être utilisés dans un dispositif selon l'invention. Dans tous les cas, le signal de commande est simple à élaborer, car proportionnel au déplacement souhaité.
Avantageusement et selon l'invention, les articulations de chaque bielle de liaison aux plateaux sont de types joints de cardan autorisant des pivotements de modification d'inclinaison de l'axe de bielle par rapport aux plateaux mais interdisant des rotations relatives autour de l'axe de bielle. Autrement dit, chaque bielle de liaison est solidaire en rotation autour de son axe de bielle (direction passant par ses deux articulations d'extrémité) par rapport à chacun des deux plateaux. De tels joints de cardan (ou joints homocinétiques) peuvent être réalisés par des pièces dotées de fentes et/ou formes appropriées usinées dans la masse, de façon à être élastiques en flexion mais rigides en torsion, et exempts de frottements dynamiques.
De même, avantageusement et selon l'invention, les articulations de chaque actionneur de tilt aux plateaux sont de types joints de cardan autorisant des pivotements de modification d'inclinaison de l'axe d'actionneur par rapport aux plateaux, mais interdisant des rotations relatives autour de l'axe d'actionneur. Chaque actionneur de tilt est donc aussi solidaire en rotation autour de son axe d'actionneur par rapport à chacun des deux plateaux.
L'emploi de tels joints de cardan pour les articulations de bielles de liaison et/ou des actionneurs de tilt confère une stabilité en torsion autour de l'axe de référence entre les deux plateaux.
Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend en outre un étage, dit étage de refocalisation, de correction de la position plateau support en translation le long de l'axe de référence et/ou en translation perpendiculairement à cet axe de référence. Avantageusement et selon l'invention, l'étage de refocalisation étant interposé entre le support et le plateau support de l'étage de correction en tilt(s), une correction en refocalisation n'entraîne par de réjections latérales par rapport à l'axe de référence.
Avantageusement et selon l'invention, l'étage de refocalisation est adapté pour n'autoriser qu'une translation du plateau support le long de l'axe de référence. Dans le cas où l'étage de correction en tilt présente deux degrés de liberté (trois bielles de liaison), le dispositif selon l'invention constitué de l'étage de refocalisation et de l'étage de correction en tilt(s) présente trois degrés de liberté et permet les corrections en position axiale et en tilt(s). Avantageusement et selon l'invention, l'étage de refocalisation comprend au moins un actionneur linéaire, dit actionneur de refocalisation, s'étendant parallèlement à l'axe de référence entre le plateau support et le support.
Dans une variante et selon l'invention, l'étage de refocalisation peut présenter plusieurs degrés de liberté. Ainsi, avantageusement et selon l'invention, l'étage de refocalisation comprend plusieurs actionneurs de refocalisation aptes à réaliser des translations selon des directions parallèles à l'axe de référence mais non confondues à cet axe de référence, de façon à permettre des translations du plateau support perpendiculairement à l'axe de référence. Avantageusement et selon l'invention, il comprend trois actionneurs de refocalisation régulièrement répartis autour de l'axe de référence. Dans ce cas, l'étage de refocalisation présente trois degrés de liberté. Le dispositif selon l'invention peut alors présenter cinq degrés de liberté (l'étage de correction en tilt(s) ayant deux degrés de liberté). Dans cette variante, la commande n'est pas strictement proportionnelle puisque l'étage de correction en tilt doit compenser le déplacement en tilt induit par l'étage de refocalisation. Néanmoins, elle reste proportionnelle dans le cas de déplacements en refocalisation et en tilts.
L'invention s'étend à un système optique -notamment un télescope spatial à montage Cassegrain ou à montage Newton, et notamment destiné à être embarqué à bord d'un système spatial- comprenant au moins un miroir à axe optique central et centre optique -notamment un miroir secondaire- et au moins un support d'un tel miroir, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon l'invention de montage et de correction de la position d'un miroir par rapport à un support.
Avantageusement et selon l'invention, le système optique comprend un dispositif selon l'invention pour chaque miroir, dit miroir secondaire, masquant au moins partiellement le flux lumineux incident sur le système optique et/ou le flux lumineux traversant le système optique.
L'invention concerne aussi un dispositif de montage et de correction de la position d'un miroir, et un système optique caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessous ou ci-après. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent à la lecture de la description suivante de ses modes de réalisation préférentiels donnés à titre d'exemples non limitatifs et qui se réfèrent aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma en coupe axiale illustrant un télescope à montage Cassegrain selon l'invention comprenant un dispositif selon l'invention de montage et de correction de position du miroir secondaire,
- les figures 2a et 2b sont des schémas de principe, en position nominale et, respectivement, en une position autre que nominale, d'une variante d'un étage de correction en tilt dans un plan radial, à un degré de liberté, illustrant le principe d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation préférentiel d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 4 est une vue axiale du dispositif selon l'invention selon la flèche F de la figure 3, représenté sans le plateau miroir ni la potence centrale à des fins d'illustration,
- la figure 5 est une vue en coupe axiale d'une articulation d'extrémité d'une bielle de liaison ou d'un actionneur de tilt de l'étage de correction en tilt(s) du dispositif selon l'invention de la figure 3, - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne NI-NI de la figure 5,
- la figure 7 est une vue de profil schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 8 est une vue schématique en coupe selon la ligne NUI- VIII de la figure 7,
- les figures 9 à 12 sont des diagrammes illustrant des résultats d'un exemple de simulation du dispositif selon l'invention des figures 3 et 4 et représentant respectivement les courses des actionneurs de tilt, la course de tilt du miroir, la réjection latérale, et la réjection axiale. La figure 1 est un schéma de principe d'un télescope à montage Cassegrain selon l'invention comprenant un fût cylindrique 1 destiné à être fixé, par l'intermédiaire d'une monture (non représentée) à une structure fixe d'un système spatial tel qu'un satellite, ou sur une structure fixe terrestre. Un miroir parabolique principal 3 concave est fixé à l'extrémité 4 du fût 1 opposé à l'ouverture d'entrée du télescope (non représentée). Un miroir secondaire 5 parabolique convexe à symétrie axiale réfléchit la lumière issue du miroir principal 3 vers un oculaire 6 traversant le miroir principal 3 en son centre. Le miroir secondaire 5 est fixé au fût 1 par des tiges ou câbles 7 s'étendant radialement, aussi fins que possible, de façon à ne pas interférer avec le flux lumineux incident 2. Les tiges ou câbles 7 maintiennent un support 8 en forme générale de flasque, en position centrale du fût 1, c'est-à-dire centré axialement sur son axe principal 10 (qui constitue l'axe de référence 10 du télescope) et s'étendant orthogonalement à cet axe principal.
Le miroir secondaire 5 est monté par rapport au support 8 par l'intermédiaire d'un dispositif 9 de montage et de correction de position selon l'invention. Comme on le voit figure 1, ce dispositif 9 est situé dans l'ombre du miroir 5, c'est-à-dire, n'interfère ni avec le flux lumineux incident 2 qui passe autour du miroir secondaire 5, ni avec le flux lumineux réfléchi du miroir principal 3 incident sur le miroir secondaire 5, ni avec le flux lumineux réfléchi par le miroir secondaire 5 vers l'oculaire 6. En pratique, cela signifie que le dispositif 9 est situé intégralement à l'intérieur du cylindre de révolution imaginaire qui prolonge le miroir secondaire 5 axialement à l'opposé du miroir principal 3. Le support 8 s'étend aussi dans l'ombre du miroir 5.
Le miroir secondaire 5 présente un centre optique O, et un axe optique central ZZ' qui est son axe de symétrie. En position nominale du miroir secondaire 5, le centre optique O doit être sur l'axe de symétrie 10 du fût 1, et l'axe optique central ZZ' du miroir 5 doit coïncider avec cet axe 10 de symétrie du fût 1. Le dispositif 9 selon l'invention comprend un étage 11 de correction en tilt(s) permettant d'ajuster la position angulaire de l'axe optique central ZZ' du miroir secondaire 5 par rapport à l'axe de symétrie 10 et par pivotement autour du centre optique O. Autrement dit, l'étage 11 de correction en tilt(s) a pour fonction d'ajuster la position du miroir secondaire 5 par pivotement autour de tout axe de pivotement orthogonal à l'axe de symétrie 10 et passant par le centre optique O. L'étage 11 de correction en tilt(s) s'étend entre deux plateaux dont l'un, dit plateau miroir 12 est associé à une face postérieure 34 du miroir secondaire 5, tandis que l'autre, dit plateau support 13 est associé au support 8 par l'intermédiaire d'un étage, dit étage de refocalisation 14 permettant d'ajuster la position du centre optique O du miroir secondaire 5 le long de l'axe de symétrie 10 de référence. Les deux plateaux 12, 13 s'étendent dans l'ombre du miroir secondaire 5. Il en va de même de l'étage de refocalisation 14. Le dispositif 9 selon l'invention s'étend dans l'ombre du miroir 5, entre sa face postérieure 34 et le support 8, également dans l'ombre du miroir 5.
Les figures 2a et 2b sont des schémas de principe permettant de comprendre la cinématique générale d'un étage 11 de correction en tilt(s) d'un dispositif 9 selon l'invention.
Il est à noter que l'invention est de préférence applicable pour réaliser une correction en tilt(s) selon tout axe de pivotement orthogonal à l'axe 10 de référence passant par le centre optique O. Elle peut aussi être appliquée pour ne réaliser cette correction que selon un seul axe de pivotement, c'est-à-dire dans un seul plan radial à l'axe 10. Les figures 2a et 2b illustrent une correction en tilt effectuée dans un seul plan radial, qui correspond à celui des figures. Dans cette situation, l'étage 11 comprend deux bielles rigides 15, dites bielles de liaison 15, reliant les deux plateaux 12, 13, chacune de ces bielles de liaison 15 étant fixée par une articulation 16 de l'une de ses extrémités au plateau miroir 12 et par une autre articulation 17 de son autre extrémité au plateau support 13. Les articulations 17 des bielles de liaison 15 au plateau support 13 sont à égale distance de l'axe de référence 10. Les bielles de liaison 15 sont fixées aux deux plateaux 12, 13 de façon à s'étendre entre ces deux plateaux 12, 13 et, lorsque les plateaux 12, 13 sont dans la position nominale représentée figure 2a où l'axe optique ZZ' du miroir 5 coïncide avec l'axe 10 de référence, avec les directions droites, dites axe de bielle 18 (qui sont celles passant chacune par les deux articulations 16, 17 d'extrémité de chaque bielle de liaison 15) qui sont sécantes au centre optique O du miroir 5. Les axes de bielle 18 sont tous sécants en un point d'intersection unique J qui, en position nominale, coïncide avec le centre optique O du miroir 5 et est donc situé sur l'axe de référence 10. Les axes de bielle 18 ont la même inclinaison angulaire par rapport à l'axe de référence 10 en position nominale. Dans cette position nominale, les axes de bielle 18 (et les bielles de liaison 15) sont symétriques par rapport à l'axe de référence 10 (dans la variante des figures 2a, 2b). Sur les figures 2a, 2b, les bielles de liaison 15 sont représentées sous forme de simples tiges rigides s'étendant selon leur axe de bielle 18. Il est clair néanmoins que les bielles de liaison 15 peuvent présenter toutes autres formes sinueuses ou tourmentées, dès lors qu'elles sont rigides, c'est-à- dire que les deux articulations 16, 17 d'extrémité de chaque bielle 15 restent reliées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire de la bielle de liaison 15. L'étage 11 de correction en tilt(s) comprend en outre au moins un actionneur linéaire, dit actionneur de tilt 19, motorisé, interposé entre les deux plateaux 12, 13 et fixé par une articulation 20 de l'une de ses extrémités au plateau miroir 12 et par une autre articulation 21 de son autre extrémité au plateau support 13. Lorsqu'un tel actionneur linéaire 19 est activé, la distance entre les deux articulations 20, 21 est modifiée par translation relative de ses articulations 20, 21 selon une direction fixe, dite axe d'actionneur 22. Chaque actionneur linéaire 19 est fixé aux deux plateaux 12, 13 et est adapté pour que, lorsqu'il est activé, le plateau miroir 12 s'incline par rapport au plateau support 13. Les articulations 20 des actionneurs de tilt 19 au plateau miroir 12 sont à égale distance de l'axe optique central ZZ' du miroir 5. Les articulations 21 des actionneurs de tilt 19 au plateau support 13 sont à égale distance de l'axe de référence 10. En position nominale, les axes d'actionneur 22 ont la même inclinaison angulaire par rapport à l'axe de référence 10.
Du fait que les bielles de liaison 15 sont sécantes au centre optique O, lorsque le plateau miroir 12 s'incline par rapport au plateau support 13, le miroir secondaire 5 pivote au moins sensiblement autour de son centre optique O. En effet, on peut démontrer que la trajectoire théorique du centre optique O dans cette cinématique au cours des pivotements relatifs des plateaux 12, 13 présente en fait un point de rebroussement I situé sur l'axe 10 de référence et une tangente au point de rebroussement I qui coïncide à l'axe de référence 10. Le point de rebroussement I coïncide au centre optique O du miroir 5 lorsque les deux plateaux 12, 13 sont en position nominale parallèles entre eux, c'est-à-dire lorsque les articulations 16, 17, 20, 21 sont dans une position telle que le miroir 5 a une position angulaire correcte (globalement orthogonale) par rapport à l'axe 10 de référence, et que le point d'intersection J des axes de bielle 18 est sur l'axe de référence 10.
La figure 2b représente une position non nominale dans laquelle l'axe optique ZZ' du miroir 5 est décalé angulairement par rapport à l'axe de référence 10. Le centre optique O s'est décalé sur sa trajectoire 23 et est donc distinct du point de rebroussement I de cette trajectoire 23. Néanmoins, du fait de la forme de cette trajectoire 23 au point de rebroussement I, le centre optique O ne s'est déplacé latéralement (selon une direction radiale à l'axe 10 de référence) que de façon parfaitement négligeable, et extrêmement légèrement le long de l'axe 10 de référence. On peut donc considérer que le miroir 5 a en fait pivoté autour du centre optique O. Il est à noter que les axes de bielle 18 sont alors sécants en un point J qui ne coïncide plus avec le centre optique O du miroir 5 et n'est plus sur l'axe de référence 10 ni sur l'axe optique central ZZ' du miroir 5. Pour pouvoir être sécantes au centre optique O en position nominale, les bielles de liaison 15 sont articulées au voisinage de la périphérie du plateau support 13. Autrement dit les articulations 17 des bielles de liaison 15 au plateau support 13 sont éloignées radial ement les unes des autres d'une distance supérieure à la distance séparant les articulations 16 des bielles de liaison 15 au plateau miroir 12 les unes des autres, de sorte que les axes de bielle 18 puissent être inclinés et se rejoindre au centre optique O en position nominale.
A l'inverse, chaque actionneur de tilt 19 est articulé au voisinage de la périphérie du plateau miroir 12, et son articulation 20 au plateau miroir 12 est plus éloignée de l'axe 10 de référence que ne l'est son articulation 21 au plateau support 13. L'axe d'actionneur 22 doit être positionné de façon à être le plus proche possible de la tangente à la trajectoire circulaire 24 parcourue par l'articulation 20 de l'actionneur de tilt 19 au plateau miroir 12 au cours du pivotement du plateau miroir 12 telle qu'imposée par la cinématique des bielles de liaison 15. En effet, dans cette position de l'axe d'actionneur 22, l'actionneur 19 présente le plus d'efficacité, l'effort exercé étant au moins sensiblement perpendiculaire au bras de levier défini entre l'articulation 20 où cet effort s'exerce et le centre optique O du miroir 5 qui est le centre de rotation.
Avec le principe cinématique illustré aux figures 2a, 2b, pour un miroir de 100 mm de hauteur, la valeur maximum de correction en tilt obtenue par modélisation (en supposant la raideur de bielles 15 infinie et les articulations parfaites) est de 1 350 rad, avec des réjections latérales limitées à 0,0001 μm et des réjections axiales limitées à 0,25 μm.
Si l'on utilise des actionneurs de tilt 19 du type double effet, c'est- à-dire susceptibles d'être moteur dans les deux sens de translation selon l'axe d'actionneur 22, un seul actionneur de tilt 19 serait suffisant pour faire pivoter le miroir 5 dans un plan radial dans un sens et dans l'autre. Sur les figures 2a et 2b, on a néanmoins représenté un mode de réalisation où les actionneurs de tilt 19 sont de type simple effet, c'est-à-dire moteurs dans un unique sens de translation par rapport à l'axe d'actionneur 22 -notamment dans le sens du rapprochement de ses deux extrémités d'articulation (20, 21)- et comprend des moyens de rappel élastique dans l'autre sens de translation, c'est-à-dire dans le sens de l'écartement relatif de ses deux extrémités d'articulation (20, 21). Chaque actionneur de tilt 19 est de préférence un actionneur piézoélectrique à déplacement amplifié sans jeu, à élément(s) piézoélectrique(s) étant précontraint(s) tel que décrit par exemple dans le brevet FR-2.740.276 ou dans US-3.274.537. Un tel actionneur piézoélectrique comprend une structure mécanique d'amplification 25, par exemple de forme globalement elliptique ou polygonale définissant deux arcs flexibles élastiques opposés et un dispositif piézoélectrique 26 s'étendant entre les deux arcs de la structure 25. La structure 25 présente un grand axe et le dispositif piézoélectrique 26 s'étend selon le grand axe de cette structure 25. Lorsque le dispositif piézoélectrique 26 est alimenté, sa longueur augmente, de sorte que le grand axe de la structure 25 augmente et que son petit axe (perpendiculaire au grand axe) diminue de longueur. Les articulations 20, 21 sont associées à chacun des arcs de la structure 25 selon le petit axe de la structure 25. Lorsque le dispositif piézoélectrique 26 n'est plus alimenté, la structure 25 revient à sa position de repos par élasticité en flexion des arcs. De même, il est à noter que la structure 25 peut être légèrement en extension par rapport à sa position de repos, c'est-à-dire avec le petit axe qui augmente de longueur, le dispositif piézoélectrique 26 étant comprimé, et ce sous l'effet d'un effort de traction exercé entre les deux articulations 20, 21. Lorsque cet effort de traction cesse, la structure 25 reprend sa position de repos initiale. La structure 25 constitue donc des moyens de rappel élastique des articulations 20, 21 dans une position de repos. Un tel actionneur piézoélectrique 19 présente de nombreux avantages : il est compatible avec une utilisation à bord d'un engin spatial (peut supporter de fortes accélérations, des conditions de vide extrêmes est exempt de pièces en frottement dynamique relatif, et présente une très grande durée de vie), il permet d'exercer des efforts relativement importants (de 100 à 1500 Newtons) pour un poids faible (de l'ordre de 150 à 200 g) et avec des courses faibles (de l'ordre de 50 à 200 μm). A titre d'exemple, on peut utiliser un actionneur référence APA120ML commercialisé par la société CEDRAT RECHERCHE (FRANCE).
De préférence, le dispositif selon l'invention (figures 3 et 4) permet une correction en tilt selon toute direction de l'espace, c'est-à-dire selon tout plan radial de l'axe 10 de référence. Pour ce faire, le dispositif comprend trois bielles rigides 15 uniformément réparties autour de l'axe de référence 10 et de l'axe optique central ZZ'. En outre, le dispositif comprend au moins deux actionneurs de tilt 19 disposés de telle sorte que les axes d'actionneur 22 et l'axe 10 de référence ne soient pas coplanaires.
Deux actionneurs de tilt 19 suffisent pour réaliser tous les mouvements de pivotement si ces actionneurs de tilt 19 sont de type à double effet. En utilisant des actionneurs de tilt 19 simple effet tels que décrits ci-dessus, le dispositif comprend trois actionneurs de tilt 19 uniformément répartis autour de l'axe 10 de référence comme représenté figures 3 et 4. Les trois actionneurs de tilt 19 peuvent être disposés entre les trois bielles de liaison 15, chaque actionneur de tilt 19 étant interposé entre deux bielles de liaison 15 au moins sensiblement à égale distance de ces bielles de liaison adjacentes (figure 4).
Les bielles de liaison 15 ont la même inclinaison par rapport à l'axe de référence 10 en position nominale. Il en va de même des actionneurs de tilt 19. Là encore, les axes de bielle 18 sont sécants en un point unique J qui, en position nominale où il est sur l'axe de référence 10, coïncide avec le centre optique 0 du miroir 5.
Lors de chaque pivotement en tilt, une cinématique équivalente à celle représentée figures 2a, 2b se retrouve dans un plan radial. Néanmoins, seul un actionneur de tilt 19 et la bielle de liaison opposée sont dans ce même plan radial. La trajectoire possible du centre optique O du miroir est donc, de façon générale, une surface ayant un point de rebroussement I sur l'axe de référence 10 et une tangente en ce point de rebroussement I coïncidant avec l'axe de référence 10. Dès lors, les réjections latérales induites sont négligeables et la réjection axiale est faible.
Avantageusement et selon l'invention, l'étage 11 de correction en tilt(s) maintient les deux plateaux 12, 13 l'un par rapport à l'autre en empêchant leur rotation relative (en torsion) autour de l'axe 10 de référence. Pour ce faire, les articulations 16, 17 de chaque bielle de liaison 15 au plateau 12, 13 sont du type joint de cardan autorisant les pivotements de modification d'inclinaison de l'axe de bielle 18 par rapport aux plateaux 12, 13, mais interdisant de rotations relatives propres (torsion) autour de l'axe de bielle 18. Autrement dit, les deux articulations d'extrémité 16, 17 d'une bielle de liaison 15 sont solidaires en rotation propre autour de l'axe de bielle 18 l'une de l'autre. Par contre, ces articulations 16, 17 permettent des modifications d'inclinaison de l'axe de bielle 18 par rapport à chacun des plateaux 12, 13. De même, les articulations 20, 21 de chaque actionneur de tilt 19 aux plateaux 12, 13 sont de type à joint de cardan autorisant des modifications d'inclinaison de l'axe actionneur 22 par rapport à chacun des plateaux 12, 13, mais interdisant des rotations relatives propres (torsion) autour de l'axe d'actionneur 22.
De préférence, les articulations 16, 17 des bielles de liaison 15 sont choisies avec une raideur axiale de l'ordre ou supérieure à 200 N/μm, une raideur angulaire de 20 à 60 Nm/rad -notamment de l'ordre de 40 Nm/rad- par une course de 0,1° à 1° -notamment de l'ordre de 0,5°- dans chaque sens. Les articulations 20, 21 des actionneurs de tilt 19 sont choisies avec une raideur axiale de l'ordre de ou supérieure à 100 N/μm, une raideur angulaire de 10 à 40 Nm/rad -notamment de l'ordre de 22 Nm/rad- pour une course de 0,1° à 1° -notamment de l'ordre de 0,5°- dans chaque sens. Les articulations 16, 17 des bielles de liaison 15 présentent la même course d'inclinaison angulaire mais sont plus raides axialement et en flexion que les articulations 20, 21 des actionneurs de tilt 19. En effet, ce sont essentiellement les bielles de liaison 15 qui imposent la cinématique et supportent les contraintes. De telles articulations 16, 17, 20, 21 de type joint de cardan peuvent être réalisées par exemple par des liaisons flexibles formées de blocs d'acier fendus tels que les liaisons cardans P.176.50 pour les actionneurs de tilt 19 et P.176.60 pour les bielles de liaison 15 commercialisés par la société PHYSIK INSTRUMENT (WALDBRONN, ALLEMAGNE). Ces blocs cylindriques sont représentés plus en détail figures 5 et
6. Ils comprennent deux taraudages borgnes d'extrémité 35, 36, coaxiaux, pour leur fixation aux pièces à relier (d'un côté à un plateau 12, 13, de l'autre à un actionneur 19 ou une bielle 15). Deux fentes 37a, 37b s'étendent de chaque côté d'une première épaisseur diamètre 38 selon des plans inclinés vers l'extérieur et vers le premier taraudage 35 jusqu'à la périphérie du bloc cylindrique. La même disposition se retrouve dans l'autre sens vers le deuxième taraudage 36 et à 90°. Deux fentes 39a, 39b (non visibles, uniquement en pointillés sur les figures) s'étendent de chaque côté d'une deuxième épaisseur diamétrale 40, selon des plans inclinés vers l'extérieur et vers le deuxième taraudage 36 jusqu'à la périphérie du bloc cylindrique. Les deux épaisseurs 38, 40 sont à 90° l'une de l'autre et forment une croix reliant les deux taraudages 35, 36 qui peuvent être inclinés légèrement l'un par rapport à l'autre par flexion de l'une et/ou de l'autre des épaisseurs 38, 40, selon la largeur des fentes 37a, 37b, 39a, 39b.
De telles liaisons sont exemptes de pièces en mouvement relatif et ne sont pas sujettes aux usures. Elles sont compatibles avec un embarquement à bord d'un engin spatial. Il en va de même des actionneurs linéaires piézoélectriques qui sont exempts de pièces à frottement dynamique.
Le dispositif 9 selon l'invention comprend également un étage de refocalisation 14 qui permet d'ajuster la position du plateau support 13 par rapport au support 8 en translation le long de l'axe 10 de référence. Cet étage de refocalisation 14 comprend un actionneur de refocalisation 27 qui peut être identique aux actionneurs de tilt 19, c'est-à-dire un actionneur linéaire piézoélectrique simple action à rappel élastique à déplacement amplifié, et sans jeu. L'actionneur 27 est fixé au centre du support 8 d'un côté par articulation inférieure 32, et de l'autre côté par une articulation supérieure 33, à une potence 28 solidaire du plateau support 13 et s'étendant entre le plateau miroir 12 et le plateau support 13 entre les bielles de liaison 15 et les actionneurs de tilt 19, en partie centrale axiale. Grâce à cette potence 28, l'actionneur de refocalisation 27 est disposé entre les deux plateaux 12, 13 et l'encombrement axial du dispositif 9 est réduit. La potence 28 est un disque radial relié au plateau support 13 par trois montants 30. Le plateau support 13 est percé en son centre d'une lanière 31 pour le passage de l'articulation inférieure 32 de l'actionneur de refocalisation 27 et sa fixation au support 8. Sur la figure 4, la potence 28 n'est pas représentée pour illustrer les montants 3a et l'actionneur de refocalisation 27. Les articulations inférieures 32 et supérieure 33 de l'actionneur de refocalisation 27 peuvent être semblables à celles 1-, 17, 20, 21 des bielles de liaison 15 et actionneurs de tilt 19, c'est-à-dire des joints de cardan formés de blocs fendus (figures 5 et 6). Par ailleurs, le plateau support 13 est maintenu et centré par rapport au support 8 grâce à deux couronnes 29 métalliques qui s'étendent radialement entre le support 8 et le plateau de support 13 en étant fixées rigidement au support 8 et au plateau support 13 par des couronnes ou plateaux entretoises et vis appropriés comme représenté figure 3. Le plateau support 13 présente une jupe périphérique 41 pour venir coiffer un rétrécissement 42 du support 8 entre lesquelles les couronnes 39 sont placées. Ces couronnes 29 autorisent un déplacement axial relatif du plateau support 13 par rapport au support 8 mais réalisent un maintien radial, en torsion et en basculement de ces deux pièces l'une par rapport à l'autre. Dans la variante des figures 7 et 8, l'étage de refocalisation 14 est adapté pour permettre des translations perpendiculairement à l'axe 10 de référence. L'étage de refocalisation 14 comprend plusieurs actionnaires de refocalisation 27a, 27b, 27c non confondus à l'axe 10 de référence mais parallèles à cet axe 10 de référence de façon à pouvoir induire des basculements du plateau support 12 par rapport au support 8. Dans l'exemple, l'étage de refocalisation 14 comprend trois actionneurs de refocalisation 27a, 27b, 27c répartis autour de l'axe 10 de référence. Ce mode de réalisation permet de réaliser cinq degrés de liberté (les trois degrés de liberté en tilts et refocalisation comme précédemment plus deux translations radiales à l'axe 10) sur le dispositif 9 selon l'invention. Il est à noter que l'actionnement de l'un des actionneurs 27a seulement entraîne un basculement du plateau support 8, et donc un mouvement de translation radiale perpendiculaire à l'axe 10 et un mouvement de tilt, ce dernier pouvant être compensé par les autres actionneurs de refocalisation 27b, 27c et par l'étage de correction en tilt 11 de façon simple.
Dans le mode de réalisation préférentiel représenté sur les figures 3 et 4, l'axe de l'actionneur de refocalisation 27 unique coïncide avec l'axe 10 de référence.
EXEMPLE :
Le montage est celui des figures 3 et 4. On a utilisé des actionneurs 19, 27 APA 120 ML commercialisés par CEDRAT RECHERCHE, de caractéristiques suivantes :
- course à vide : 120 μm,
- effort maximum : 1 400 N, - raideur : 11 ,7 N/μm,
- encombrement : 45 x 79 x 20 mm, - masse : 160 g.
Les bielles de liaison 15 sont des barres d'acier de 8 mm de diamètre et 25 mm de longueur, de 400 N/μm de raideur. Les couronnes 29 en aluminium ont une épaisseur de 0,5 mm, une largeur de 10 mm pour un diamètre moyen de 150 mm. Elles sont écartées de 20 mm Tune de l'autre axialement. On obtient une raideur axiale de Tordre de 9 N/μm pour un effort maximum de 2 215 N (sur la base d'une contrainte maximale prise à 195 MPa soit 75 % de la limite élastique), une raideur en flexion du plateau support 13 par rapport au support 8 de Tordre de 300 000 Nm/rad pour un effort maximum de 4 250 Nm, et une raideur transversale de Tordre de 2 450 N/μm, pour un effort maximum de 68 373 N.
Les figures 9 à 12 représentent les résultats pouvant être obtenus. La figure 9 représente la variation au cours du temps des courses des actionneurs de tilt 19 lorsqu'un seul des trois actionneurs de tilt 19 est alimenté. Ce dernier présente une course négative de Tordre de 90 μm et les deux autres présentent une course positive (en allongement) de Tordre de 30 μm.
La figure 10 représente la variation au cours du temps de la course angulaire de pivotement obtenue sur le miroir secondaire 5 (en microradians). Comme on le voit, on peut obtenir une course angulaire de 540 μrad à partir de la position nominale dans un sens ou dans un autre. Il est à noter en outre que lorsque les différents actionneurs de tilt 19 ne sont pas alimentés, les deux plateaux 12, 13 reviennent en position nominale parallèles l'un à l'autre. La figure 11 représente les déplacements latéraux induits selon la direction latérale orthogonale à Taxe de référence 10 et à Taxe autour duquel le pivotement du miroir 5 a été réalisé. Comme on le voit, les réjections latérales atteignent une valeur de Tordre de 0,15 μm au maximum de la course et sont donc négligeables en pratique.
La figure 12 représente les déplacements axiaux induits par le pivotement en tilt, c'est-à-dire les réjections axiales selon Taxe de référence 10. A la course de tilt maximum, la réjection axiale est de Tordre de 4,2 μ. Cette réjection peut être facilement corrigée grâce à l'étage de refocalisation 14.
Compte tenu de la raideur des couronnes 29, la course maximum de l'actionneur de refocalisation 27 est de 68 μm, ce qui suffit notamment à compenser les réjections axiales. Les actionneurs de tilt 19 travaillent sur à peine les 3/4 de leur course à vide.
Ce comportement dynamique du montage a aussi été évalué.
Avec un miroir de 3 kg, des actionneurs de 160 g, des bielles de liaison de 50 g, des couronnes de 15 g, des articulations cardans de 15 g, et des plateaux 8, 12, 13 de 500 g, en appliquant un échelon d'effort au centre de gravité du miroir suivant chacune des trois directions de l'espace.
Tous les modes propres apparaissant sont à une fréquence supérieure à 150 Hz. La plus faible, à 195 Hz, est un mode de torsion de l'ensemble autour de Taxe de référence 10. Le dispositif selon l'invention est donc assez raide pour subir les contraintes d'un lancement spatial (modes supérieurs à 100 Hz) et les microvibrations en fonctionnement en vol (modes supérieurs à 150 Hz).
L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes et applications autres que celles décrites ci-dessus à titre d'exemple. Elle s'applique en particulier à d'autres systèmes optiques que les télescopes Cassegrain, par exemple les télescopes Newton ou les systèmes optiques à plusieurs miroirs secondaires (interférences, ...), dans les engins spatiaux ou sur sites terrestres.

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de montage et de correction de la position par rapport à un support (8) d'un miroir (5), présentant un axe optique central (ZZ1) et un centre optique (O) comprenant un mécanisme (11, 14) à actionneurs (19, 27) motorisés s'étendant dans l'ombre du miroir (5) entre le support (8) et une face postérieure (34) du miroir (5), caractérisé en ce qu'il comprend un étage (11) de correction en tilt(s) s'étendant entre deux plateaux (12, 13), dont l'un, dit plateau miroir (12), est associé au miroir (5), tandis que l'autre, dit plateau support (13), est associé au support (8), et comportant : - au moins deux bielles rigides, dites bielles de liaison (15), reliant les deux plateaux (12, 13), chacune de ces bielles de liaison (15) étant fixée par une articulation (16) de Tune de ses extrémités au plateau miroir (12) et une autre articulation (17) de son autre extrémité au plateau support (13), les bielles de liaison (15) étant fixées aux plateaux (12, 13) de façon à s'étendre entre les deux plateaux (12, 13) et lorsque les deux plateaux sont dans une position relative, dite position nominale, dans laquelle Taxe optique central du miroir (5) coïncide avec une direction fixe, dite axe (10) de référence, avec les directions droites, dites axes (18) de bielle, passant chacune par les deux articulations (16, 17) des extrémités de chaque bielle de liaison (15) qui sont sécantes au moins sensiblement au centre optique (O) du miroir (5), - au moins un actionneur linéaire, dit actionneur de tilt (19), interposé entre les deux plateaux (12, 13) et fixé par une articulation (20) de Tune de ses extrémités au plateau miroir (12) et par une autre articulation (21) de son autre extrémité au plateau support (13), chaque actionneur de tilt (19) étant fixé aux plateaux (12, 13) et étant adapté pour que, lorsqu'au moins un actionneur de tilt (19) est activé, la distance entre ses extrémités (20, 21) étant modifiée, le plateau miroir (12) s'incline par rapport au plateau support (13), le miroir (5) pivotant au moins sensiblement autour de son centre optique (O). 21 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bielles de liaison (15) sont articulées au voisinage de la périphérie du plateau support (13).
3/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque actionneur de tilt (19) est articulé au voisinage de la périphérie du plateau miroir (12).
4/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend trois bielles de liaison (15) uniformément réparties autour de Taxe (10) de référence et de Taxe optique central (ZZ'). 5/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux actionneurs (20, 21) de tilt (19) disposés de telle sorte que les axes, dits axes (22) d'actionneurs, passant chacun par les deux articulations d'extrémité d'un actionneur de tilt (19) et Taxe (10) de référence ne soient pas coplanaires. 61 - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend trois actionneurs de tilt (19) uniformément répartis autour de Taxe (10) de référence.
7/ - Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les trois actionneurs de tilt (19) sont disposés entre les trois bielles de liaison (15), chaque actionneur de tilt (19) étant interposé entre deux bielles de liaison (15) au moins sensiblement à égale distance de ces deux bielles de liaison (15) adjacentes.
8/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque actionneur de tilt (19) est un actionneur simple effet moteur dans un sens de translation par rapport à Taxe (22) d'actionneur et comprend des moyens (25) de rappel élastique dans l'autre sens de translation.
9/ - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque actionneur de tilt (19) est moteur dans le sens du rapprochement de ses deux extrémités d'articulation (20, 21). 10/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque actionneur de tilt (19) est un actionneur piézoélectrique à déplacement amplifié.
11/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les articulations (16, 17) de chaque bielle de liaison (15) aux plateaux (12,
13) sont de types joints de cardan autorisant des pivotements de modification d'inclinaison de Taxe (18) de bielle par rapport aux plateaux (12, 13) mais interdisant des rotations relatives autour de Taxe (18) de bielle.
12/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les articulations (20, 21) de chaque actionneur de tilt (19) aux plateaux (12,
13) sont de types joints de cardan autorisant des pivotements de modification d'inclinaison de Taxe (22) d'actionneur par rapport aux plateaux (12, 13), mais interdisant des rotations relatives autour de Taxe (22) d'actionneur.
13/ - Dispositif selon Tune des revendications ! à 12, caractérisé en ce que chaque bielle de liaison (15) est une tige droite rigide.
14/ - Dispositif selon Tune des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étage, dit étage de refocalisation (14), de correction de la position plateau support (13) en translation le long de Taxe (10) de référence, et/ou en translation perpendiculairement à cet axe (10) de référence. 15/ - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étage de refocalisation (14) est adapté pour n'autoriser qu'une translation du plateau support (13) le long de Taxe (10) de référence.
16/ - Dispositif selon Tune des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que l'étage de refocalisation (14) comprend au moins un actionneur linéaire, dit actionneur de refocalisation (27), s'étendant parallèlement à Taxe (10) de référence entre le plateau support (13) et le support (8).
17/ - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étage de refocalisation (14) comprend plusieurs actionneurs de refocalisation (27a, 27b, 27c) aptes à réaliser des translations selon des directions parallèles à Taxe (10) de référence mais non confondus à cet axe (10) de référence, de façon à permettre des translations du plateau support (13) perpendiculairement à Taxe (10) de référence.
18/ - Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend trois actionneurs de refocalisation (27a, 27b, 27c) régulièrement répartis autour de Taxe (10) de référence.
19/ - Système optique comprenant au moins un miroir (5) à axe optique central (ZZ') et centre optique (O) et au moins un support (8) d'un tel miroir
(5), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon Tune des revendications 1 à 8 de montage et de correction de la position d'un miroir (5) par rapport à un support (8).
20/ - Système optique selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un télescope spatial Cassegrain.
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