WO2009019233A2 - Dispositif optique multi-pupilles aminci - Google Patents

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WO2009019233A2
WO2009019233A2 PCT/EP2008/060180 EP2008060180W WO2009019233A2 WO 2009019233 A2 WO2009019233 A2 WO 2009019233A2 EP 2008060180 W EP2008060180 W EP 2008060180W WO 2009019233 A2 WO2009019233 A2 WO 2009019233A2
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WO
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telescope
elementary
mirror
telescopes
optical
Prior art date
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PCT/EP2008/060180
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WO2009019233A3 (fr
Inventor
Frédéric Cassaing
Bruno Fleury
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Office National D'etudes Et De Recherches Aerospatiales (Onera)
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/02—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors
    • G02B23/06—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors having a focussing action, e.g. parabolic mirror

Definitions

  • the present invention relates to optical devices known
  • the invention relates to an optical device of small size, low mass and low moment of inertia based on a network of optical mirrors or lenses.
  • An observation device is essentially characterized by its resolution power, that is to say by its ability to distinguish two neighboring points on an observed object.
  • a conventional observation device called “monolithic telescope” is illustrated in Figure 1 in profile view. It is composed of a primary mirror 1 and a secondary mirror 2. The height Li of this telescope is close to the diameter B of the primary mirror 1.
  • FIG. 2 illustrates a sectional view of the telescope of FIG. 1. It is known that the resolving power of an observation device increases proportionally with the diameter B of the entrance pupil of the device. It should be noted that the entrance pupil has a diameter comparable to that of the primary mirror.
  • the dimensional characteristics of a monolithic telescope are given in particular by its diameter B.
  • the length Li of the telescope being proportional to the diameter B, the volume of the monolithic telescope increases in B 3 and its moment of inertia in B 5 .
  • Such characteristics induce strong constraints on the structure of the telescope.
  • the thickness E 1 of the primary mirror 1 is proportional to the diameter B so that the mass of the primary mirror increases according to B 3 .
  • a first solution is to build lightened mirrors, of great thickness to ensure their rigidity by evading the structure of the mirrors to reduce their mass.
  • a second solution is to build a large lightweight mechanical structure supporting a thin mirror. This same mirror can also be replaced by a tiling of small contiguous mirrors.
  • Figure 3 shows a view of a device based on the use of a network of telescopes.
  • each telescope forming the network consists of elementary telescopes TE of diameter D clearly smaller than B, the light beams they collect and which come from the observed scene are conveyed via PE periscopes to a telescope of TR recombination.
  • the recombination is of the interferometric type and delivers a beam intended for a detector.
  • Figure 4 shows a top view of a device comprising a network of telescopes. It should be noted that the resolving power of the telescope network is in this case not given by the diameter D of each telescope of the network but by the diameter B.
  • the mirrors forming the periscopes 9 are located far behind the primary mirrors, which lengthens the device.
  • the present invention proposes to reduce the length and therefore the size of an observation device.
  • an object of the invention is to provide a device whose thickness and mass are significantly reduced, while ensuring the device a high rigidity.
  • the invention relates to an optical device comprising a plurality of sub-pupils for the observation of a scene, the plurality of sub-pupils forming the entrance pupil of the device.
  • the device of the invention is characterized in that it comprises a plurality of optical elements integrated within a mechanical structure supporting the optical elements and ensuring the rigidity of the device, said structure having a height less than the diameter of the pupil input of the device.
  • the minimum height of the structure is equal to ⁇ _.B, where the constant ⁇ _ is a function of the material used for the structure and where B is the diameter of the entrance pupil of the device.
  • the constant ⁇ _ typically being between 1/10 and 1/6 for a material such as zerodur or silica.
  • the structure of the device of the invention is advantageously a material of thermal expansion coefficient close to that of optics, typically equal to 1 ⁇ 10 -7 K -1 for zerodur.
  • the structure has as a general form selected from one of the following solids: parallelepiped, cylinder of revolution, spherical or cylindrical cap portion, steering cylinder cylinder a star polygon.
  • the structure may be a hollow monolithic block to support, integrate and possibly accurately position the optical elements, the block having a low mass while maintaining a high dimensional stability.
  • the recesses are intended to transmit the optical beam (s) (s) resulting from the scene observed within the structure.
  • the structure of the device of the invention is advantageously obtained by a combination of molding, machining, assembly or molecular adhesion.
  • the optical elements form for each sub-pupil: an elementary collector, a periscope intended to guide one or several beams (x) coming from an elementary collector towards the center of the structure, each elementary collector comprising at least one primary optics.
  • the device of the invention may comprise a recombiner in the center of the structure for recombining the beam (s) (s) coming from each periscope.
  • optical axis of the elementary collectors may be parallel to the optical axis of the recombiner, or inclined relative to the normal to the structure of the device.
  • the device according to the invention may also comprise: at least one detector powered by a single collector from among the plurality of collectors of the device or by the recombination telescope; and or
  • the optical elements of the device of the invention may be a combination of lenses and mirrors.
  • the mirrors may comprise an antioxidant treatment consisting of a transparent protective material deposited in a layer of minimum thickness so as to reduce the phase shifts introduced during oblique reflections.
  • each periscope may be is formed of optical fibers for guiding the beam (s) (x) from the elementary collector to the recombiner.
  • the device of the invention may furthermore comprise supply means, means for real-time cophasing, means for processing, said means being furthermore integrated within the structure.
  • the device of the invention may also be intended for use in LASER emission.
  • the structure of the device of the invention can be completed by portholes serving to protect the elements that it integrates.
  • the invention relates to a carrier, typically an aircraft or a satellite, comprising a device according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 5 illustrates an observation device of the invention having a monobloc structure
  • FIG. 6 illustrates a detailed view of the structure of the device of the invention according to a first embodiment
  • FIG. 7 illustrates a schematic view of the device of the invention according to a second embodiment
  • Figure 8 illustrates a possible configuration for two elementary telescopes
  • FIG. 9 illustrates a configuration of the device of the invention for an oblique observation
  • FIG. 10 illustrates a schematic view of the arrangement of the optical elements of the device of the invention in certain configurations
  • Figure 11 illustrates a schematic view of the device of the invention according to a third embodiment
  • FIG. 12 illustrates a schematic view of the device of the invention in LASER emission
  • Figure 13 illustrates a possible configuration for elementary telescopes
  • FIG. 14 illustrates a possible configuration for the arrangement of elementary telescopes and adjustment means
  • Figure 15 illustrates a possible configuration for elementary telescopes
  • Figure 16 illustrates a possible configuration for elementary telescopes and periscopes
  • FIG. 17 illustrates a possible configuration for elementary telescopes
  • Figure 18 illustrates a possible configuration for elementary telescopes and periscopes
  • Figure 19 illustrates a possible configuration for the recombination telescope and the multichamp mode
  • Figure 20 illustrates a possible configuration for the recombination telescope
  • FIGS. 21a and 21b show the same scene observed thanks to a device according to the invention before and after digital processing
  • FIG. 22 illustrates a possible configuration for periscopes
  • FIG. 23 illustrates the field that can be associated with the various telescopes forming a network of telescopes
  • Figures 24a and 24b illustrate the conventional technique of doubling the focal length with a Barlow lens
  • FIG. 25 illustrates a configuration of the device of the invention upstream of a conventional instrument, which then acts as a recombination telescope;
  • FIG. 26 illustrates the simultaneous use of the coherent mode and the incoherent mode;
  • - Figure 27 shows an integration of the device in an aircraft. DESCRIPTION OF ONE OR MORE MODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • An optical aperture synthesis device is composed of a network of telescopes.
  • Each telescope of the network is called elementary telescope.
  • the light beams collected from the observed scene are routed through periscopes to a recombination telescope in the center.
  • the recombination possibly of interferometric type, delivers a beam intended for a detector, the recombined beams can subsequently be processed by a computer in order to exploit them.
  • arm refers to the path of the beams between each elementary telescope and the recombination telescope via the periscopes.
  • An optical aperture synthesis device can be used for reception and transmission.
  • the object will be assumed infinitely for simplicity, but this condition is not necessary.
  • Device architecture
  • FIG. 5 illustrates a device comprising a network of telescopes, that is to say, comprising at least two pupils. Each pupil consists of optical elements.
  • the set of optical elements forming the telescope array is integrated into a structure 10 supporting the optical elements, thus enabling a device that is both compact and has a high degree of rigidity.
  • the rigidity of the assembly makes it possible to point the whole of the device and not each telescope of the network separately.
  • the arrangement within the structure 10 of the various components of the device must satisfy a number of constraints.
  • each elementary telescope and the recombination telescope must be very similar. In particular the lengths of each arm must be identical.
  • the pupil arrangement must satisfy lateral and longitudinal pupillary scaling constraints as described for example in the document "Field-of-view limitations of Phased Telescope Arrays" J.E. Harvey and C. Ftaclas, Appl. Opt., Vol 34 number 25, September 1995, p5787-5798.
  • the device comprises a pupil composed of at least a plurality of sub-pupillles intended to receive one or more light beams originating from an observed object or scene.
  • the assembly formed by the structure 10 and the optical elements is monobloc.
  • Such a device must be easily integrated into a carrier (its size and shape would be adapted accordingly).
  • the structure 10 may have a general shape chosen according to one of the following solids: cylinder of revolution, parallelepiped, spherical or cylindrical cap portion, steering cylinder curve a star polygon. It can also be cylindrical or take a shape non-planar imposed by the wearer (mechanically or aerodynamically), like a cylinder or a sphere.
  • the structure 10 integrates a set of arms, each arm consists of an elementary telescope TE housed in a recess 120 combined with a PE periscope housed in a recess 130, which guides the light beams to a recombination telescope TR housed in a recess 140 in the center of the structure.
  • the structure 10 is a monolithic block or an assembly of elements hollowed out on the paths of the light beams, which makes it possible to obtain a gain on the mass and a gain on the moment of inertia of the device.
  • Figure 6 illustrates a sectional view (slice) of the structure of the device according to one embodiment.
  • Two elementary telescopes of the network are presented (at the left and right ends of Figure 6) as well as the recombination telescope TR in the center.
  • the axes denoted YY, XX and OO are respectively the axes of the elementary telescopes TE, the recombination telescope TR and PE periscopes.
  • the optical axis of the device is in fact the XX axis of the recombination telescope TR.
  • the elementary telescopes forming the telescope array may for example be arranged in the structure relative to each other in a circular manner, one then obtains an arrangement of a network of telescopes as illustrated in FIG. 4.
  • the recombination telescope TR is then in the center of the structure of the device.
  • the elementary telescopes are of length I and elementary pupils of diameter D. Networking makes it possible to obtain a pupil - equivalent - of diameter B greater than D, such a pupil forms the entrance pupil of the device.
  • the elementary telescopes are composed of a primary mirror 121 and a secondary mirror 122.
  • the device of FIG. 6 illustrates elementary telescopes with two mirrors.
  • the elementary telescopes may comprise one, three or four mirror (s), for example, depending on the configuration.
  • the recesses 120 are at least the length of the elementary telescope TE and the width comparable to that of the primary mirror 121. They are furthermore arranged in the thickness of the structure 10 a priori at the periphery.
  • the primary mirror 121 and the secondary mirror 122 are housed in the recesses 120, provided for the elementary telescopes, in the recesses 120, provided for the elementary telescopes, are housed the primary mirror 121 and the secondary mirror 122 arranged facing one another.
  • the primary 121 and secondary 121 mirrors are housed in the thickness of the structure 10 of the device: their integration within the structure 10 is perfect.
  • a transparent window 16 is able to pass the light beams from the observed scene going towards the primary mirror 121.
  • the window can be plane or follow the curvature of the structure in the case of a cylinder or a sphere.
  • the primary mirror 121 has a concave shape.
  • the secondary mirror 122 here has a convex shape and is supported by the transparent window 16 closing the recess 120.
  • the width of the secondary mirror 122 of the elementary telescopes is less than the width of the primary mirror 121 opposite.
  • the primary mirror 121 is able to capture the light beams from the scene observed by the device, the light beams are then reflected thereon and directed to the secondary mirror 122 of the elementary telescope.
  • the concavity of the primary mirror 121 and the convexity of the secondary mirror 122 are functions of the target opening angle for the observation of scenes and for the transport of the beams within the structure to the other elements. optics.
  • the minimum length of the elementary telescopes is given by the relation ⁇ ⁇ .D where ⁇ ⁇ is a constant imposed by the techniques of polishing mirrors and aberrations, the central occultation and the opening of the mirror.
  • the length of the telescope is close to the focal length denoted F, fixed by the number of opening F / D worth between 1, 2 and 1, 5 minimum.
  • the secondary mirror 122 of the elementary telescope is not too close to the primary mirror 121 of the elementary telescope so as not to obscure the incident light beams from the observed scene.
  • the length I of the elementary telescopes which is in fact the distance between the primary mirror 121 and the secondary mirror 122 of the elementary telescope, is one of the main parameters which conditions the height L of the structure 10 of the device which can be a function of the angle opening of elementary telescopes.
  • the height L of the structure 10 of the device is based rather on the mechanical rigidity preferably close to the distance between the primary and secondary mirrors of the elementary telescopes and the recombination telescope.
  • the height L of the structure 10 is less than a fraction of the diameter B of the pupil, typically less than half the diameter B of the pupil.
  • the constant ⁇ _ is for example of the order of 1/10 to 1/6 for rigid materials such as zerodur or silica. In optics these materials are widely used. Below these minimum values for ⁇ L , it is no longer possible to ensure the mechanical rigidity of the structure.
  • the rigidity of the device must be strong, "embedded” applications are targeted and it is not desirable that the instruments undergo disturbances following any movement.
  • the structure 10 of the device may, for example, be formed in a monolithic block of material with a low coefficient of thermal expansion of the order of
  • Periscopes are composed of an internal periscopic mirror 131 and an external periscopic mirror 132.
  • the periscopes are used to "transport" the light beams from the TE elementary telescopes to the TR recombination telescope in the center of the structure.
  • the recesses 130 are formed on the paths of the light beams coming from the outer periscopic mirror 132.
  • the beams "transported" by the periscopes propagate in the structure through the recesses 130 provided for this purpose.
  • the shape of the mirrors 131 and 132 of the periscopes is such that the light beams propagate through the recesses 130 forming the path of the light beams between the elementary telescopes and the recombination telescope.
  • the recesses 130 could be more consequent and not “limited” to the paths of the light beams, without impairing the rigidity of the structure.
  • the outer periscopic mirror 132 of the periscopes is for example inserted into the primary mirror 121 of the elementary telescope previously "pierced" for this purpose.
  • the inner periscopic mirror 131 of the periscope is positioned facing the primary mirror 141 of the recombination telescope so that it can pick up the beams coming from the external periscopic mirror 132.
  • the internal periscopic mirror 131 is supported by the opaque flange
  • the recombination telescope may have a diameter close to the diameter of the elementary telescope and a length close to the length of the elementary telescopes to integrate into the structure. It is composed of a primary mirror 141 and a secondary mirror 142 arranged facing one another.
  • the structure is hollowed out so that the mirrors 141, 142 of the recombination telescope TR can be housed within the structure.
  • the recess 140 is formed in the structure to accommodate the elements of the recombination telescope and is formed in the center of the device structure.
  • the width of the recess 140 is close to that of the primary mirror 141 of the recombination telescope, its length is that of the recombination telescope, close to the length of the elementary telescopes.
  • the primary mirror 141 of the recombination telescope is integrated in the thickness of the structure 10 of the device and has a concave shape.
  • the secondary mirror 142 of the recombination telescope and has a concave shape. Additionally, the recombination telescope TR comprises a folding mirror 143 inserted in the primary mirror 141 of the telescope recombination drilled for this purpose to guide the light beams to a detector 500.
  • the observation device may comprise several observation modes.
  • a first mode called “sleep mode", large field of observation, low resolution and a mode called “magnifying mode” high resolution, low field of view.
  • the magnifying mode is obtained via the detector 500 and the standby mode is obtained via the detector 510, it captures the beams via a retractable mirror 144 inserted into the recess of the recombination telescope.
  • the beams come from each elementary telescope.
  • the recombination telescope In standby mode, the recombination telescope is not used, only beams from a single elementary telescope are detected.
  • the beams 501 or 511 are respectively directed to a detector 500 to obtain a high resolution image or to another detector 510 to obtain a low resolution image.
  • detectors 500 and 510 are respectively inserted in housings obtained by recess of the structure 10, for example, at the level of the recombination telescope in the center of the structure 10.
  • an on-board digital computer 600 makes it possible to apply the necessary corrections to the images before exploitation, for example by an operator in front of a real-time display console.
  • optically unused recesses are closed by flanges 18, 19 or other covers.
  • these flanges or hoods can integrate solar panels to capture solar energy that can be used to power the electronic elements integrated in the device.
  • recesses can be created in unused parts such as recess 60 to lighten the structure.
  • recesses 60 make it possible to integrate the electronics 600 with additional instruments such as a navigation system, batteries, radio transmission systems, inertial units, pointing or deployment mechanisms, etc.
  • the structure 10 can serve as a radiator for passive cooling of the electronics. Continuous external power eliminates transformer vibration. Making the instrument autonomous facilitates its interface with the carrier and its maintenance (replacement of the entire opto-electronic chain).
  • Figure 27 illustrates the device integrated in a carrier, here an aircraft. Note that in the same way it can be integrated into a satellite.
  • Fig. 7 illustrates a structure formed by a monolithic block comprising a plurality of recesses arranged in a honeycomb. An arrangement of the honeycomb-shaped recesses makes it possible to arrange the recesses used for the recombination telescope or the elementary telescopes and other recesses on the same hexagonal network, while guaranteeing high rigidity.
  • detectors Det 1, Det 2 are integrated in recesses, for example, as are on-board computers CPU, the blackened recesses are intended to receive the optical elements.
  • the instrument can be rotated about its axis to create a synthetic pupil.
  • the sub-pupils can also be arranged on a linear beam, on a star structure around the recombination telescope, etc.
  • the outer periscopic mirror 132 is in the vicinity of the primary mirror 121 of the elementary telescope. This in contrast to the device of the prior art as illustrated in Figure 3, where the periscope mirrors (internal and external) are located far behind the primary mirror of the elementary telescope. This advantageously allows to have a compact device.
  • Figure 6 illustrates a configuration in which the line of sight of the instrument is perpendicular to the exit face.
  • FIG. 9 illustrates a configuration in which the aiming direction is inclined at an angle ⁇ relative to the normal to the structure.
  • L e there is a difference in external market L e , which is necessary compensate by a difference in path between the inner paths L, i and L 12 , for example by decentering the recombination telescope or by acting on the periscopes.
  • the structure 10 performs this function since the "connections" between the optical elements integrated within the device are intrinsically formed by the recesses 120, 130 and 140 of the structure 10.
  • the fact of using a support structure of the device is that the structure can also serve as protection, sealed, if necessary.
  • FIG. 10 illustrates an extreme case of configuration: the elementary telescope TE consists of one (and only one) lens L e and the two PE periscopes include (possibly) optical power, in addition there is no telescope recombination.
  • Figure 11 illustrates an embodiment of the device where the elementary telescopes are actually dioptric glasses, incorporating a portion of the periscopes. This figure also illustrates a mode of alignment of periscopes by the structure itself. The external periscopes are positioned directly on the structure, and oriented / positioned thanks to the facing faces, correctly polished.
  • the alignment of internal periscopes is ensured by a small prism.
  • the relative alignment between the internal and external periscopes is via the flat interface faces between the two prisms, which are also polished.
  • the fine adjustment is done by the relative positioning of the two prisms, then the upper lenses.
  • FIG. 12 illustrates another embodiment of the device, in LASER transmission.
  • Each elementary telescope is a parabolic collimator, powered in its focus by a single-mode optical fiber.
  • recombination telescopes perform triplet recombinations, with the central telescope as a reference.
  • the focal image analysis of the recombination telescope makes it possible to measure the pistons and differential tilts on the telescopes, in order to correct them by displacement of the optical fibers or by fiber phase shifters.
  • the elementary telescopes are collectors of light beams, for example afocal, constituting the network.
  • Interferometric recombination of elementary telescopes in a large field necessary to obtain a high-resolution image resolution of the observed object, generates on the elementary telescopes and periscopes many specific constraints.
  • optical aperture synthesis devices of the prior art are based on very complex elementary telescopes to satisfy large-field interferometric constraints.
  • many optical components are required, and the transmission components (lenses, portholes) are avoided in the interferometric arms.
  • dioptric components may be advantageous to minimize the height of the device or to perform other functions.
  • the elementary telescopes may preferentially be two mirrors (primary 121 and secondary 122), in the case of telescopes of the type
  • the elementary telescopes can be folded laterally by a plane mirror (in the case of a Newton type configuration) which can for example be supported by a window 16 of the structure 10 of the device.
  • a plane mirror in the case of a Newton type configuration
  • Such folding of the beams contributes to reducing the length of the elementary telescopes or to simplifying the settings.
  • This folding mirror MR (Newton type) can for example be held by a window.
  • a single folding plane mirror ensures the reflections. This mirror folding, not critical in accuracy of adjustment, can be fixedly and permanently linked to the porthole.
  • the configuration of the secondary mirror 122 on the left also makes it possible to place an active mirror at the intermediate focus, which can be used as a delay line (piston) or for pupillary alignment (tip / tilt).
  • the telescope is folded twice, which may be of interest for the compensation of polarization effects (effects that we will describe later in the section dedicated to periscopes).
  • the folding of the elementary telescope in the vicinity of an intermediate focus allows to use this focus to insert a wide field detector (CCD camera type) at the periphery of the folded field.
  • CCD camera type wide field detector
  • the plane mirror can be supported by the closing port 18.
  • the elementary telescopes can be of the "Offner" type.
  • Such a telescope includes a primary mirror of parabolic shape, a secondary mirror and a tertiary mirror of parabolic form.
  • a tertiary mirror compared to a Mersenne telescope, makes it possible to correct the curvature of the field (limiting aberration of a Mersenne).
  • Such a telescope can be used with an external periscope traversed by an intermediate focus and with the tertiary mirror 123 housed in the primary mirror 121 (see Figure 17).
  • the elementary telescopes can extend into the periscope of the same arm (see Figure 18) which reduces the aberrations or reduce the size of the device.
  • Elementary telescopes can be of the "off-axis" type, or based on optics that are not revolutionized.
  • FIG. 8 illustrates such a telescope, it is in particular the configuration of the primary 121 and secondary 122 mirrors which gives the telescope an off-axis character.
  • the term "off-axis" defines the angle with respect to the axis of the main beam.
  • This configuration of the primary 121 and secondary mirrors 122 makes it possible to place optical elements between the secondary mirror 122 and the external periscopic mirror 132 without obscuring the beams propagating towards the primary mirror 121.
  • another aspect of the off-axis elementary telescopes is that the paths within these telescopes can be used as a delay line which contributes to reducing the differences in paths between two crowns in the pupil. .
  • the elementary telescopes can also be non-afocal and / or non-revolution, that is to say with non-coaxial revolution optics or optics without symmetry of revolution.
  • Figure 14 is illustrated an elementary telescope feeding a cat's eye linked to the elementary telescope and not the periscope.
  • a cat's eye is a retro-reflector composed of a parabola-mirror system at the focus-dish.
  • the curvature of the intermediate mirror at the focus makes it possible to adjust the position of the exit pupil.
  • the beam from the secondary mirror 122 encounters a cat's eye housed in the primary mirror 121.
  • This cat's eye makes it possible to correct (at least partially) the field curvature of a Mersenne type telescope (given by the configuration of the primary 121 and secondary 122 mirrors) and to correct misalignment by a piezoelectric mirror located at focus for example.
  • a cover located behind this piezoelectric mirror makes it possible to avoid the parasitic beams coming from the observed object (or scene).
  • the cat's eye 810 may be in the axis of the elementary or lateral telescope, with an external periscope pointing outwards, on the cat's eye which returns the beam inwardly on the recombination telescope as illustrated on Figure 15.
  • Figure 16 is illustrated a possible arrangement between the elementary telescopes and the periscope.
  • the compensation of phase shifts between polarizations induced by the periscopic train can be performed by inserting an additional periscope in the perpendicular plane.
  • the second periscope may for example be inserted at an intermediate focus F or at the output of the elementary telescopes.
  • any elementary telescope having only two mechanical elements, which mechanical elements can provide many optical functions, are preferred for compact assembly and simple integration.
  • the secondary mirror 122 may for example be fixed to the porthole, the periscopic mirror 132 may be attached to the primary mirror 121.
  • the periscopic system consists of the external periscopic mirror 132 and the internal periscopic mirror 131. It should be noted that the periscopic system may consist of optical fibers in places and place internal and external mirrors.
  • the outer periscopic mirror 132 returns the light beams collected by the elementary telescope to the inner periscopic mirror 131, which supplies the recombination telescope.
  • One of the preferred arrangements of the periscopes is to locate them between the primary mirror 121 and the secondary mirror 122 of the elementary telescopes, so that the beam does not pass through the mirror In this case, the outer periscope may be supported by the primary mirror 121.
  • An optical relay consisting of two optics L e i and L e2 located between the internal periscopic 131 and external 132 mirrors (see Figure 16) and retaining the afocal character of the beam, allows reimaging the pupil to the inner periscopic mirror 131 and / or to correct the field curvature of the telescopes and / or to increase the field.
  • This configuration with the M3 mirror of the elementary telescope between the two periscopes allows the pupillary transport (that is to say, to re-image the exit pupil of the elementary telescopes in the vicinity of the inner periscope, which can serve as a tip / tilt mirror) .
  • the external periscopic mirrors 132 can send the beams outwards, to a retroreflective cat-eye type mounting, the beams to the inner periscopic mirrors, while providing additional functionalities (such as, for example, delay line for adjusting the difference in operation and correction of the field curvature of elementary telescopes).
  • the periscopes may also include means for correcting the differential chromaticism, introduced by the diopters (in particular by the portholes or the lenses) into elementary telescopes or periscopes.
  • It can be prisms head-to-tail adjustable thickness or blade sets of calibrated thickness.
  • periscopes Another function of periscopes is to control the polarization.
  • the light is a transverse vibration, that is to say that a beam propagating in a direction z is the sum of two independent components vibrating in the directions x and y.
  • this beam is reflected on a perpendicular surface (then called autocollimation)
  • these two polarizations usually called p and s, respectively for parallel and perpendicular
  • the reflection coefficients (amplitude and phase) of the two polarizations differ.
  • the amplitude difference is often insignificant.
  • the phase shift can be quite important. This effect is not important for a conventional optics because all the rays see the same surfaces.
  • periscopes have a specific orientation and thus introduce different phase shifts on each arm.
  • This second periscope can be inserted into the elementary telescopes, at an intermediate focus (for example at F in FIG. 16), a folding mirror or an "off-axis" beam (see FIG. 8). .
  • this additional periscope can be simulated by a folding mirror used twice.
  • the MR plane mirror added in the elementary telescope is used before and after reflection on the secondary mirror 122.
  • Another solution is to minimize the phase shift at the source.
  • Metal mirrors are usually protected by a layer against oxidation.
  • the conventional treatment is to maximize the reflection coefficient.
  • the surface treatment of the periscopic mirrors may advantageously be replaced by another treatment.
  • a simple solution is to deposit a layer of minimal thickness, in place of the traditional half-wave layer, which tends to minimize the phase difference between the two polarizations.
  • an antioxidant treatment consisting of a transparent protective material deposited in a layer of minimum thickness so as to reduce the phase shifts introduced during oblique reflections.
  • the flat mirrors of the periscopes can be replaced by optically active mirrors.
  • the periscopes also have the function of equalizing the optical paths on the different arms.
  • the position of the mirror M2 (free parameter) contributes to the length of the arm.
  • the aperture diaphragm of a telescope is usually located on the primary or secondary mirror.
  • the field is often limited by the extension of the beams at the level of the internal periscopes.
  • the field can be maximized by locating the pupil in the periscope space mid-way between the M1-M2 common focus and the internal periscope, i.e. near the outer periscope, which can then act as an opening diaphragm. This arrangement advantageously replaces what is done in the current technique where the pupil is located on the primary mirror or on the secondary mirror.
  • the recombination telescope is a focal telescope similar to a conventional telescope known to those skilled in the art.
  • central occlusion may be important.
  • the free space between the sub-pupils can be used to house the spiders supporting the mirrors other than the primary mirror 141 without occultation.
  • the entire recombination telescope is housed in the structure 10 of the device.
  • a recombination telescope with two mirrors or supplemented by a dioptric corrector can be used.
  • FIG. 19 illustrates such a configuration, composed of three primary, secondary 141 and tertiary, primary exit mirrors 143, with exit from the front taking advantage of the large central concealment.
  • Tertiary mirror 143 may be inserted in the center of primary mirror 141 to reduce bulk and number of components.
  • a folding plane mirror MR can also be used in the central concealment to disengage the beam towards the detector or lengthen the focal length, as illustrated in FIG.
  • the recombination telescope can also be installed in the plane of the structure, that is to say have its axis perpendicular to the main optical axis.
  • the recombination telescope can be suppressed, the focusing function being then provided by the elementary telescopes and / or the periscopes, with possible use of optical components not having symmetry of revolution (see Figure 10).
  • the detectors 500 and 510 may be a CCD (Charge Coupled Device) type camera.
  • the detector 500 may also be included in the structure 10 taking advantage of a free location in the pupil.
  • This folding mirror can be supported by the primary mirror 141 (see FIG. 6) or by the secondary mirror 143 (see FIG. 20).
  • this folding mirror can be motorized. This mirror makes it possible to feed successively several detectors at the periphery of the recombination telescope, for example in several spectral bands.
  • Dichroic plates allow to feed in parallel several detectors in several bands (see figure 20).
  • the calculator can integrate the necessary deconvolution because of the shape of the transfer function for a multi-pupil device.
  • This deconvolution must be carried on board (in the case where the device is embedded) if the image is transmitted with a compression causing a loss of information.
  • Figures 21a and 21b respectively illustrate an image before and after treatment.
  • This computer 600 is integrated in the structure in a recess 60 provided for this purpose (see Figure 6).
  • a telescope assembly as shown in Figure 6 can be used in several ways, both transmission and reception.
  • the modes can be simultaneous
  • the two modes can be used simultaneously on the same zone, in two different spectral bands.
  • the two modes can be used simultaneously, the choice of the intensity ratio makes it possible to optimize the signal-to-noise ratio in each channel.
  • switching between modes can be facilitated by field diaphragms or shutters masking certain groups of sub-pupils, which may be located in elementary telescopes, periscopes or recombination telescopes.
  • a first mode (“magnifying glass” or “coherent”) results from the interferometric recombination of all the sub-pupils via the recombination telescope. This mode is characterized by maximum resolution and low field.
  • a second mode allows observation at a lower resolution but with a larger field, in order to focus the area of interest in the magnifying field.
  • This mode can be implemented by exploiting a focal plane of an elementary telescope or a periscope, by inserting a dedicated focal telescope into the network, or by observing the scene through the recombination telescope and a dedicated optical path. It suffices for that to use a transparent porthole 18 (see FIG. 6) and to separate the two fields spectrally or spatially in the pupil.
  • a third mode (“multi-pupil standby”) takes advantage of the presence of several telescopes to extend the previous standby mode field if necessary. For this, a standard standby mode is implanted on several elementary telescopes, in different field directions. The resulting images are then digitally combined to obtain the large field.
  • the total coverage area denoted Ctot is approximately twice as large as the field covered by each elementary telescope.
  • the overlap of all the fields of the elementary telescopes in the center of the field still allows the magnifying mode in the area Ci, compensating by the periscopes the difference of pointing between the elementary telescopes.
  • a third mode allows an intermediate observation between the magnifying and watch modes, with the resolution of each elementary telescope but with a gain in photometry resulting from the use of all the telescopes in parallel.
  • a Fourier Transform Spectrometry mode may further be implemented by image analysis recorded in the presence of a difference in step modulation produced by the action of the delay lines.
  • a fifth mode is to use the multi-telescope system upstream of an existing lens to increase its focal length.
  • f2 2.f1
  • An alternative solution is to use, upstream of the lens, a device lengthening the focal length while increasing the diameter of the pupil.
  • such an afocal system can advantageously be replaced by a set of elementary telescopes and periscopes mounted in a common structure, as illustrated in FIG. 25.
  • the initial objective 154 then plays the role of the recombination telescope.
  • FIG. 19 An example of switching between the standby and magnifying modes is illustrated in FIG. 19, showing how three different fields can be formed on the same sensor. If the secondary mirror of the recombination telescope 142 is displaced contrary to the arrow shown to position it on the dashed surface, then the detector is powered by the primary focus of the mirror M1 (sleep mode, assuming all but one closed periscope) .
  • the detector is powered magnifying mode. It is also possible to introduce a folding mirror MR, for example between the secondary mirrors 142 and tertiary 143, to image the focus after the secondary mirror 142 on the detector.
  • FIG. 26 An example of simultaneous use of the coherent and incoherent modes is illustrated in FIG. 26.
  • the beams coming from the periscopes are recombined by an afocal recombination telescope.
  • a blade 151 dichroic or high reflection separator
  • a reflecting mirror 154 generate two beams, focused on two similar detectors 152 and 153.
  • the coherence between the beams is destroyed by a mirror 154 having steps on each sub-pupil, or by a set 150 of glass slides of different thickness inserted on each arm, or equivalently by a single glass block polished or adhered so that each sub-pupil crosses a different thickness.
  • the upper beam magnifying mode
  • the lower beam incoherent mode
  • the detector is powered by several beams from different arms. It is therefore important for these beams to have similar characteristics in order to be superimposed on the detector and to provide quality images. This induces strong constraints of similarity between the arms, more particularly for the magnifying mode where the interference between the beams requires a control of the differences in operation with an error lower than a small fraction of the wavelength.
  • the telescopes have internal settings (relative alignment of the mirrors), the periscopes include for tilting alignment and piston orientable mirrors and lines with long delays. These components are often controlled during the observation, which considerably complicates and weakens the system.
  • the goal here is to reduce clutter, complexity and cost, while ensuring operation in an embedded system in the presence of temperature, vibration or shock variations. It is therefore crucial to reduce the number of mechanisms and sensitivity to disturbances.
  • the alignment may be static or dynamic as described in the following section.
  • the structure 10 can be made of a rigid material such as carbon, zerodur, invar or titanium, whose coefficient of expansion is low and can be matched to that of the materials used for the optical parts.
  • the structure 10 as illustrated in Figure 6 can advantageously be a mechanical reference throughout the volume of the instrument and thus contribute to the absolute positioning of the 121 -122 mirrors within each elementary telescope or the mirrors 131 -132 within the periscopes or mirrors 141-142 within the recombination telescope. Whenever possible, this positioning is accomplished by a gap-free adjustment.
  • Modern machining tools such as CNC-controlled machine tools allow the machining of reference surfaces for submetric to metric structures. a largely sub-millimeter accuracy and therefore considerably reduce or even eliminate the travel required for the network setting elements. The most critical degrees of freedom can be controlled locally by dedicated devices.
  • the sleeve 800 of FIG. 14 materializes the axis of the elementary telescope and ensures the centering of the primary mirror 121, the centering of the secondary mirror 122, and the pull between the primary 121 and secondary 122. It is thus possible by the only adjustment of 800 to make a factory setting of a telescope, possibly using lateral pressure screws acting on the optical parts.
  • the assembly 800-121 - 122 can then be positioned absolutely by a bore of the structure 10.
  • a similar configuration can be used for periscopes, with a mounting such as that illustrated in Figure 22.
  • the internal 131 and outer 132 periscopic mirrors are connected by a spacer 900 which ensures their relative positioning.
  • the sleeves 800, the spacers 900, the mirrors 121-122-131-132 the windows 16 or other dioptric components can be made according to a procedure that maximizes their similarity between all the arms.
  • delay lines can be installed in the instrument, their integration at the level of the elementary telescopes - along their axis (see Figure 9) or perpendicularly (see Figure 10) - minimizes the volume occupied and the number of deflection mirrors needed, unlike the current art. Dynamic alignment
  • This alignment is based on sensors measuring the gaps between the arms and on actuators applying the corrections required in each arm. These devices make the instrument more complex, but the resulting gains in performance, bulk and mass make such a cophasing system more and more attractive for many instruments.
  • the cophasage system can be of two types. Internal phasing is based on metrological systems measuring distances of interest within the instrument. An external phase is based on the analysis of the light emitted by the object.
  • An internal phase-shift can be implemented by depositing on the windows 16 a treatment that is at least partially reflective at a laser wavelength outside the observation spectral range.
  • a reverse laser source installed near the detector 500, can thus be retro-reflected on a dedicated detector near the detector 500.
  • This metrological trip round trip makes it possible to measure the length of each arm.
  • the possible differences in alignment of the windows, a priori static because the portholes are positioned by the structure 10 of high dimensional stability, are measured once and for all during the initial assembly of the network. Their knowledge subsequently makes it possible to align the network from the measurements of length on each arm.
  • the correction actuators are devices such as piezoelectric wedges, allowing certain mirrors to be moved.
  • These adjustment mirrors are a priori flat mirrors, of small diameter, like small folding mirrors near an intermediate focal plane. In the present technique, they are included in the delay lines of the periscopic train. They can advantageously be inserted into the elementary telescopes (PZT in FIG. 13 or element 810 of FIGS. 14 and 15).
  • the quality of the image obtained strongly depends on the quality of the pointing during the installation, especially for an instrument on a mobile carrier.
  • the performance of the device can then be improved by a fine pointing system on board the instrument.
  • the fine pointing actuator may be a lateral planar folding mirror, such as for example the mirror 143 of FIG. 6. If certain mirrors can be controlled in position, for example in the periscopic trains for effecting the phase shift of the grating, then the Single pointing mirror in the recombination telescope can be replaced by a combination of pistons and tilts applied in each arm.
  • the device can be used in coherent transmitter mode to provide a laser star on an astronomical telescope.
  • the device can be used in incoherent receiver mode for LIDAR type applications where it is important to have a large collector surface but of coarse optical quality.
  • the beams collected by the sub-pupils are focused on a single detector to maximize the signal-to-noise ratio.
  • the two preceding examples can be grouped together for a pulsed source, the same telescopes serving successively for transmission and reception.
  • the device can be used in standby / magnifying / inconsistent receiver mode for a surveillance system.
  • the low volume, the easy pointing, the protection against the atmospheric agents, the presence of the modes large and small field make it possible to install this system permanently away from the site of interest.
  • the device can be used in a windshield mode (coherent or incoherent) to replace a telephoto lens on a camera (see Figure 25), with a noticeable gain in size.

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Abstract

L'invention concerne dispositif optique comprenant une pluralité de sous-pupilles chacune constituée d'une pluralité d'éléments optiques pour l'observation d'une scène, la pluralité de sous-pupilles formant la pupille d'entrée du dispositif, caractérisé en ce que l'ensemble des éléments optiques constituant chaque sous-pupille est intégré au sein d'une structure (10) mécanique rigide supportant l'ensemble des éléments optiques et assurant la rigidité du dispositif, ladite structure (10) ayant une hauteur (L) inférieure au diamètre (B) de la pupille d'entrée du dispositif.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE MULTI-PUPILLES AMINCI
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention est relative aux dispositifs optique dits à
« synthèse d'ouverture optique » et notamment de ceux pouvant être embarqués au sein de porteurs.
En particulier, l'invention concerne un dispositif optique de faible encombrement, de faible masse et de faible moment d'inertie à base d'un réseau d'optiques de type miroirs ou lentilles.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un dispositif d'observation est essentiellement caractérisé par son pouvoir de résolution c'est-à-dire par sa capacité à distinguer deux points voisins sur un objet observé.
Un dispositif d'observation conventionnel dit « télescope monolithique » est illustré sur la figure 1 en vue de profil. Celui-ci est composé d'un miroir primaire 1 et d'un miroir secondaire 2. La hauteur Li de ce télescope est voisine au diamètre B du miroir primaire 1.
La figure 2 illustre une vue en coupe du télescope de la figure 1. Il est connu que le pouvoir de résolution d'un dispositif d'observation croît proportionnellement avec le diamètre B de la pupille d'entrée du dispositif. Il est à noter que la pupille d'entrée a un diamètre comparable à celui du miroir primaire.
Ainsi, pour améliorer la finesse - la résolution - des images, il a été construit des dispositifs d'observation de plus en plus grand.
Les caractéristiques dimensionnelles d'un télescope monolithique sont en particulier données par son diamètre B. La longueur Li du télescope étant proportionnelle au diamètre B, le volume du télescope monolithique croît en B3 et son moment d'inertie en B5. De telles caractéristiques induisent de fortes contraintes sur la structure du télescope.
De la même manière, l'épaisseur Ei du miroir primaire 1 est proportionnelle au diamètre B de sorte que la masse du miroir primaire croît selon B3.
Ainsi selon les applications visées les contraintes sur la structure peuvent s'avérer fortement limitatives.
Pour s'affranchir des contraintes de masse et de volume, les techniques de réalisation se sont améliorées. Une première solution consiste à construire des miroirs allégés, de forte épaisseur pour assurer leur rigidité en évidant la structure des miroirs afin de diminuer leur masse.
Une deuxième solution consiste à construire une grande structure mécanique allégée supportant un mince miroir. Ce même miroir peut aussi être remplacé par un pavage de petits miroirs contigus.
Bien que ces techniques permettent d'alléger considérablement le miroir primaire, l'encombrement du télescope monolithique n'est pas réduit significativement.
Ces techniques ont donc montré leur limite quant à la réduction de la masse et du volume de tels dispositifs d'observation.
Plus récemment il a été proposé d'utiliser des dispositifs à « synthèse d'ouverture optique ».
Ces dispositifs permettent de bénéficier d'une forte résolution et d'une grande portée tout en ayant un dispositif peu encombrant et léger. Dans ces dispositifs, il est proposé de remplacer le miroir primaire
(élément 1 des figures 1 et 2) par un réseau de « petits » télescopes.
La figure 3 présente une vue d'un dispositif basé sur l'utilisation d'un réseau de télescopes.
Sur la figure 3, chaque télescope formant le réseau est constitué de télescopes élémentaires TE de diamètre D clairement inférieur à B, les faisceaux lumineux qu'ils collectent et qui proviennent de la scène observée sont acheminés via des périscopes PE vers un télescope de recombinaison TR. La recombinaison est de type interférométrique et délivre un faisceau destiné à un détecteur.
La figure 4 présente une vue de dessus d'un dispositif comprenant un réseau de télescopes. II est à noter que le pouvoir de résolution du réseau de télescopes n'est dans ce cas là pas donné par le diamètre D de chaque télescope du réseau mais bien par le diamètre B.
Il apparaît donc que la longueur d'un tel dispositif pour un diamètre B correspondant à un télescope monolithique équivalent et donc un même pouvoir de résolution est réduite comparativement à un télescope monolithique conventionnel qui offrirait les mêmes performances.
Cependant, les quelques solutions actuelles existantes font appel à des combinaisons optiques complexes qui rendent les télescopes élémentaires TE et le télescope de recombinaison TR assez long, ce dernier étant aussi souvent volumineux (élément 100 de la figure 3).
De plus, les miroirs formant les périscopes 9 sont situés loin derrière les miroirs primaires, ce qui allonge le dispositif.
Il faut de plus installer le réseau sur un support commun 200, par conséquent la hauteur L3 de l'ensemble, bien qu'inférieure à Li reste peu inférieure à B.
PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention se propose de réduire la longueur et par conséquent l'encombrement d'un dispositif d'observation.
Ainsi, un but de l'invention est de proposer un dispositif dont l'épaisseur et la masse sont significativement réduites, tout en assurant au dispositif une forte rigidité.
A cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif optique comprenant une pluralité de sous-pupilles pour l'observation d'une scène, la pluralité de sous-pupilles formant la pupille d'entrée du dispositif. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'éléments optiques intégrés au sein d'une structure mécanique supportant les éléments optiques et assurant la rigidité du dispositif, ladite structure ayant une hauteur inférieure au diamètre de la pupille d'entrée du dispositif.
Selon l'invention, la hauteur minimale de la structure est égale à βι_.B, où la constante βι_ est fonction du matériau utilisé pour la structure et où B est le diamètre de la pupille d'entrée du dispositif. La constante βι_ étant typiquement comprise entre 1/10 et 1/6 pour un matériau comme le zérodur ou la silice.
La structure du dispositif de l'invention est avantageusement en un matériau de coefficient de dilatation thermique proche de celui des optiques, typiquement égal à 1 x10"7 K"1 pour le zérodur.
En outre, la structure a comme forme générale choisie parmi l'un des solides suivants : parallélépipède, cylindre de révolution, portion de calotte sphérique ou cylindrique, cylindre de courbe directrice un polygone étoile.
La structure peut être un bloc monolithique évidé pour supporter, intégrer et éventuellement positionner précisément les éléments optiques, le bloc ayant une faible masse tout en conservant une forte stabilité dimensionnelle.
De manière avantageuse, les évidements sont destinés à transmettre le ou les faisceau(x) optique(s) issu(s) de la scène observée au sein de la structure.
La structure du dispositif de l'invention est avantageusement obtenue par une combinaison de moulage, usinage, assemblage ou adhérence moléculaire.
Au sein de la structure les éléments optiques forment pour chaque sous-pupille : un collecteur élémentaire, un périscope destiné à guider un ou des faisceau(x) issu(s) d'un collecteur élémentaire vers le centre de la structure, chaque collecteur élémentaire comprenant au moins une optique primaire. Par ailleurs, le dispositif de l'invention peut comprendre un recombinateur au centre de la structure destiné à recombiner le ou les faisceau(x) issu(s) de chaque périscope.
De plus l'axe optique des collecteurs élémentaires peut être parallèle à l'axe optique du recombinateur, ou incliné par rapport à la normale à la structure du dispositif.
Les collecteurs élémentaires et les périscopes peuvent être imbriqués pour favoriser leur intégration au sein de la structure du dispositif
Le dispositif selon l'invention peut également comprendre : - au moins un détecteur alimenté par un unique collecteur parmi la pluralité de collecteurs du dispositif ou par le télescope de recombinaison ; et/ou
- un détecteur pour l'acquisition d'une scène observée par une pluralité de collecteurs. Les éléments optiques du dispositif de l'invention peuvent être une combinaison de lentilles et de miroirs.
Les miroirs peuvent comprendre un traitement anti-oxydant constitué d'un matériau protecteur transparent déposé en une couche d'épaisseur minimale de manière à réduire les déphasages introduits lors des réflexions obliques.
Par ailleurs, chaque périscope peut être est formé de fibres optiques pour guider le ou les faisceau(x) issu(s) du collecteur élémentaire vers le recombinateur.
Le dispositif de l'invention peut comprendre en outre des moyens d'alimentation, des moyens pour réaliser un cophasage temps réel, des moyens pour de traitement, lesdits moyens étant en outre intégrés au sein de la structure.
Le dispositif de l'invention peut aussi être destiné à être utilisé en émission LASER. La structure du dispositif de l'invention peut être complétée par des hublots servant de protection aux éléments qu'elle intègre. Enfin, selon un second aspect, l'invention concerne, un porteur, typiquement un aéronef ou un satellite, comprenant un dispositif selon le premier aspect de l'invention.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles outre les figures 1 , 2, 3 et 4 déjà discutées : la figure 5 illustre un dispositif d'observation de l'invention présentant une structure monobloc ; la figure 6 illustre une vue détaillée de la structure du dispositif de l'invention selon un premier mode de réalisation ; - la figure 7 illustre une vue schématique du dispositif de l'invention selon un deuxième mode de réalisation ; la figure 8 illustre une configuration possible pour deux télescopes élémentaires ; la figure 9 illustre une configuration du dispositif de l'invention pour une observation oblique ; la figure 10 illustre une vue schématique de la disposition des éléments optiques du dispositif de l'invention dans certaines configurations ; la figure 11 illustre une vue schématique du dispositif de l'invention selon un troisième mode de réalisation ; la figure 12 illustre une vue schématique du dispositif de l'invention en émission LASER ; la figure 13 illustre une configuration possible pour les télescopes élémentaires ; - la figure 14 illustre une configuration possible pour l'agencement des télescopes élémentaires et des moyens de réglage ; la figure 15 illustre une configuration possible pour les télescopes élémentaires ; la figure 16 illustre une configuration possible pour les télescopes élémentaires et les périscopes ; - la figure 17 illustre une configuration possible pour les télescopes élémentaires ; la figure 18 illustre une configuration possible pour les télescopes élémentaires et les périscopes ; la figure 19 illustre une configuration possible pour le télescope de recombinaison et le mode multichamp ; la figure 20 illustre une configuration possible pour le télescope de recombinaison ; les figures 21 a et 21 b montrent une même scène observée grâce à un dispositif selon l'invention avant et après traitement numérique ; - la figure 22 illustre une configuration possible pour les périscopes ; la figure 23 illustre le champ pouvant être associé aux différents télescopes formant un réseau de télescopes ; les figures 24a et 24b illustrent la technique classique de doublement de focale par une lentille de Barlow ; - la figure 25 illustre une configuration du dispositif de l'invention en amont d'un instrument conventionnel, celui-ci jouant alors le rôle de télescope de recombinaison; la figure 26 illustre l'utilisation simultanée du mode cohérent et du mode incohérent ; - la figure 27 montre une intégration du dispositif dans un aéronef. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Présentation générale du dispositif
A titre préliminaire, notons que dans la description qui va être effectuée, nous nous plaçons dans le cas d'un réseau de télescopes, comprenant par conséquent des miroirs.
L'ensemble de la description est également valable dans le cas d'utilisation de lentilles en lieu et place de certains miroirs.
De manière générale, afin d'englober le cas miroir et le cas lentilles il convient d'utiliser le terme collecteur élémentaire (par exemple télescope élémentaire dans le cas miroir), de recombinateur (par exemple le télescope de recombinaison dans le cas miroir) la terminologie périscope est quant à elle inchangée quelles que soient les optiques utilisées (miroirs, lentilles ou fibres optiques).
Un dispositif à synthèse d'ouverture optique est composé d'un réseau de télescopes.
Chaque télescope du réseau est appelé télescope élémentaire. Les faisceaux lumineux collectés provenant de la scène observée sont acheminés via des périscopes vers un télescope de recombinaison, au centre.
La recombinaison éventuellement de type interférométrique, délivre un faisceau destiné à un détecteur, les faisceaux recombinés peuvent par la suite traités par un calculateur afin de les exploiter.
Par ailleurs, la terminologie « bras » se réfère au trajet des faisceaux entre chaque télescope élémentaire et le télescope de recombinaison via les périscopes.
Un dispositif à synthèse d'ouverture optique peut être utilisé en réception et en émission. Dans la description qui va être effectuée, l'objet sera supposée à l'infini par simplicité, mais cette condition n'est pas nécessaire. Architecture du dispositif
La figure 5, illustre un dispositif comprenant un réseau de télescopes, c'est-à-dire, comprenant au moins deux pupilles. Chaque pupille est constituée d'éléments optiques.
Ainsi qu'illustré sur la figure 5, l'ensemble des éléments optiques formant le réseau de télescopes est intégré dans une structure 10 supportant les éléments optiques, permettant ainsi un dispositif à la fois peu encombrant et ayant une forte rigidité. La rigidité de l'ensemble permet de faire pointer l'ensemble du dispositif et non chaque télescope du réseau séparément.
L'agencement au sein de la structure 10 des différents éléments composant le dispositif doit satisfaire un certain nombre de contraintes.
Les trajets entre chaque télescope élémentaire et le télescope de recombinaison doivent être très semblables. En particulier les longueurs de chaque bras doivent être identiques.
En outre, l'agencement des pupilles doit satisfaire des contraintes d'homothétie pupillaire latérale et longitudinale telles que décrites par exemple dans le document « Field-of-view limitations of Phased Télescope Arrays » J. E. Harvey and C. Ftaclas, Appl. Opt., vol 34 numéro 25, septembre 1995, p5787— 5798.
De manière générale, le dispositif comprend une pupille composée d'au moins une pluralité de sous-pupillles destinée à recevoir un ou des faisceau(x) lumineux issu(s) d'un objet observé ou scène. L'ensemble formé par la structure 10 et les éléments optiques est monobloc. Un tel dispositif doit pouvoir être facilement intégré dans un porteur (sa taille et sa forme seraient adaptées en conséquence).
On note que la structure 10 peut avoir une forme générale choisie selon l'un des solides suivants : cylindre de révolution, parallélépipède, portion de calotte sphérique ou cylindrique, cylindre de courbe directrice un polygone étoile. Elle peut également être cylindrique ou prendre une forme non planaire imposée par le porteur (mécaniquement ou aérodynamiquement), comme un cylindre ou une sphère.
La structure 10 intègre un ensemble de bras, chaque bras est constitué d'un télescope élémentaire TE logé dans un évidement 120 combiné à un périscope PE logé dans un évidement 130, qui permet de guider les faisceaux lumineux vers un télescope de recombinaison TR logé dans un évidement 140 au centre de la structure.
Ceci s'applique à chaque bras formant le réseau de télescopes.
La structure 10 est un bloc monolithique ou un assemblage d'éléments évidé sur les trajets des faisceaux lumineux, ce qui permet d'obtenir un gain sur la masse et un gain sur le moment d'inertie du dispositif.
La figure 6, illustre une vue en coupe (tranche) de la structure du dispositif selon un mode de réalisation. Deux télescopes élémentaires du réseau sont présentés (aux extrémités gauche et droite de la figure 6) ainsi que le télescope de recombinaison TR au centre.
Les axes notés YY, XX et OO sont respectivement les axes des télescopes élémentaires TE, du télescope de recombinaison TR et des périscopes PE. Ici l'axe optique du dispositif est en fait l'axe XX du télescope de recombinaison TR.
Structurellement, les télescopes élémentaires formant le réseau de télescopes peuvent par exemple être agencés dans la structure l'un par rapport à l'autre de manière circulaire, on obtient alors une disposition d'un réseau de télescopes comme illustré sur la figure 4.
Le télescope de recombinaison TR est alors au centre de la structure du dispositif.
Les télescopes élémentaires sont de longueur I et de pupilles élémentaires de diamètre D. La mise en réseau permet d'obtenir une pupille - équivalente - de diamètre B supérieur à D, une telle pupille forme la pupille d'entrée du dispositif. Les télescopes élémentaires sont composés d'un miroir primaire 121 et d'un miroir secondaire 122.
De manière non limitative le dispositif de la figure 6 illustre des télescopes élémentaires à deux miroirs. En effet, les télescopes élémentaires peuvent comprendre un, trois ou quatre miroir(s), par exemple, selon la configuration.
Les évidements 120 sont au moins de la longueur du télescope élémentaire TE et de la largeur comparable à celle du miroir primaire 121. Ils sont en outre disposés dans l'épaisseur de la structure 10 à priori en périphérie.
Dans les évidements 120, prévus pour les télescopes élémentaires, sont logés le miroir primaire 121 et le miroir secondaire 122 agencés en regard l'un par rapport à l'autre.
Il est à remarquer que les miroirs primaire 121 et secondaire 122 sont logés dans l'épaisseur de la structure 10 du dispositif : leur intégration au sein de la structure 10 est donc parfaite.
Un hublot transparent 16 est apte à laisser passer les faisceaux lumineux issus de la scène observée se dirigeant vers le miroir primaire 121. Le hublot peut être plan ou suivre la courbure de la structure dans le cas d'un cylindre ou d'une sphère.
La fermeture par des hublots ou autres dispositifs comme des lentilles, évite de recourir à une coupole pour « fermer » le dispositif.
Le miroir primaire 121 a une forme concave.
Le miroir secondaire 122 a ici une forme convexe et a pour support le hublot transparent 16 fermant l'évidement 120.
La largeur du miroir secondaire 122 des télescopes élémentaires est inférieure à la largeur du miroir primaire 121 en regard.
Le miroir primaire 121 est apte à capter les faisceaux lumineux issus de la scène observée par le dispositif, les faisceaux lumineux sont alors réfléchis sur celui-ci et dirigés vers le miroir secondaire 122 du télescope élémentaire. II est à noter que la concavité du miroir primaire 121 et que la convexité du miroir secondaire 122 sont fonctions de l'angle d'ouverture visé pour l'observation de scènes et pour le transport des faisceaux au sein de la structure vers les autres éléments optiques. La longueur minimale des télescopes élémentaires est donnée par la relation β{.D où β{ est une constante imposée par les techniques de polissage des miroirs et les aberrations, l'occultation centrale et l'ouverture du miroir.
Pour un miroir secondaire de petite taille, la longueur du télescope est voisine de la distance focale notée F, fixée par le nombre d'ouverture F/D valant entre 1 ,2 et 1 ,5 au minimum.
Par ailleurs, il faut veiller à ce que le miroir secondaire 122 du télescope élémentaire ne soit pas trop proche du miroir primaire 121 du télescope élémentaire pour ne pas occulter les faisceaux lumineux incidents issus de la scène observée.
La longueur I des télescopes élémentaires, qui est en fait la distance entre le miroir primaire 121 et le miroir secondaire 122 du télescope élémentaire est un des principaux paramètres qui conditionne la hauteur L de la structure 10 du dispositif qui peut être fonction de l'angle d'ouverture des télescopes élémentaires.
Afin notamment d'avoir une hauteur optimale, la hauteur L de la structure 10 du dispositif est plutôt fondée sur la rigidité mécanique préférentiellement voisine de la distance entre les miroirs primaire et secondaire des télescopes élémentaires et du télescope de recombinaison. La hauteur L de la structure 10 est inférieure à une fraction du diamètre B de la pupille, typiquement inférieure à la moitié du diamètre B de la pupille.
En fonction du matériau utilisé pour obtenir la structure, il est possible de réduire la hauteur L de la structure jusqu'à la hauteur minimale L|im = βι_.B, la constante βι_ est par exemple de l'ordre de 1/10 à 1/6 pour des matériaux rigides comme le zerodur ou la silice. En optique ces matériaux sont largement utilisés. En deçà de ces valeurs minimales pour βL, il n'est plus possible d'assurer la rigidité mécanique de la structure.
En outre, ce sont les contraintes mécaniques notamment des contraintes de rigidité qui imposent l'épaisseur E des bords de la structure 10 du dispositif.
La rigidité du dispositif doit être forte, des applications « embarquées » sont visées et il n'est pas souhaitable que les instruments subissent des dérèglements suite à un quelconque mouvement. La structure 10 du dispositif peut, par exemple, être formée dans un bloc monolithique de matériau à faible coefficient de dilatation thermique de l'ordre de
1x10"7 K"1pour le zérodur, 13x10"6 K"1 pour des structures mécaniques, - 5x10"6 K"1 pour une dilatation uniforme entre la structure et les verres courants.
Des techniques comme l'adhérence moléculaire peuvent être utilisées dans le cas où la structure 10 est obtenue par un assemblage de plusieurs éléments collés entre eux. Les périscopes sont composés d'un miroir périscopique interne 131 et d'un miroir périscopique externe 132.
Les périscopes servent au « transport » des faisceaux lumineux issus des télescopes élémentaires TE vers le télescope de recombinaison TR au centre de la structure. Ainsi, les évidements 130 sont formés sur les trajets des faisceaux lumineux issus du miroir périscopique externe 132.
Les faisceaux « transportés » par les périscopes se propagent dans la structure au travers des évidements 130 prévus à cet effet.
La forme des miroirs 131 et 132 des périscopes est telle que les faisceaux lumineux se propagent au travers des évidements 130 formant le trajet des faisceaux lumineux entre les télescopes élémentaires et le télescope recombinaison. Les évidements 130 pourraient être plus conséquent et non pas « limités » aux trajets des faisceaux lumineux, sans pour autant nuire à la rigidité de la structure.
Le miroir périscopique externe 132 des périscopes est par exemple inséré dans le miroir primaire 121 du télescope élémentaire préalablement « percé » à cet effet.
Le miroir périscopique interne 131 du périscope est positionné en regard du miroir primaire 141 du télescope de recombinaison de sorte qu'il puisse capter les faisceaux issus du miroir périscopique externe 132. Le miroir périscopique interne 131 a pour support le flasque opaque
18.
Le télescope de recombinaison peut avoir un diamètre voisin du diamètre du télescope élémentaire et une longueur voisine de la longueur des télescopes élémentaires afin de s'intégrer dans la structure. II est composé d'un miroir primaire 141 et d'un miroir secondaire 142 agencés en regard l'un par rapport à l'autre.
Comme pour les télescopes élémentaires la structure est évidée afin que l'on puisse loger au sein de la structure les miroirs 141 , 142 du télescope de recombinaison TR. L'évidement 140 est formé dans la structure pour accueillir les éléments du télescope de recombinaison et est formé au centre de la structure du dispositif.
La largeur de l'évidement 140 est voisine de celle du miroir primaire 141 du télescope de recombinaison, sa longueur est celle du télescope de recombinaison, voisine de la longueur des télescopes élémentaires.
Le miroir primaire 141 du télescope de recombinaison est intégré dans l'épaisseur de la structure 10 du dispositif et a une forme concave.
Le miroir secondaire 142 du télescope de recombinaison et a une forme concave. Additionnellement, le télescope de recombinaison TR comprend un miroir de repliement 143 inséré dans le miroir primaire 141 du télescope de recombinaison percé dans ce but pour guider les faisceaux lumineux vers un détecteur 500.
Le dispositif d'observation peut comprendre plusieurs modes d'observations. Un premier mode dit « mode veille », grand champ d'observation, faible résolution et un mode dit « mode loupe » forte résolution, faible champ d'observation.
Le mode loupe est obtenu via le détecteur 500 et le mode veille est obtenu via le détecteur 510, celui-ci capte les faisceaux via un miroir escamotable 144 inséré dans l'évidement du télescope de recombinaison.
En mode loupe, au niveau du télescope de recombinaison une combinaison interférométrique des faisceaux lumineux s'opère, les faisceaux sont issus de chaque télescope élémentaire.
En mode veille, le télescope de recombinaison n'est pas utilisé, seuls les faisceaux issus d'un seul télescope élémentaire sont détectés.
Au niveau du télescope de recombinaison, les faisceaux 501 ou 511 sont dirigés respectivement ou vers un détecteur 500 pour obtenir une image de forte résolution ou vers un autre détecteur 510 pour obtenir une image basse résolution. Ces détecteurs 500 et 510 sont respectivement insérés dans des logements obtenus par évidement de la structure 10 par exemple, au niveau du télescope de recombinaison au centre de la structure 10.
Afin d'exploiter les images issues des scènes observées, un calculateur numérique embarqué 600 permet d'appliquer les corrections nécessaires aux images avant exploitation par exemple par un opérateur devant une console de visualisation temps réel.
Les évidements optiquement inutilisés sont fermés par des flasques 18, 19 ou autres capots.
De manière avantageuse, ces flasques ou capots peuvent intégrer des panneaux solaires pour capter de l'énergie solaire qui peut servir à l'alimentation des éléments électroniques intégrés dans le dispositif. En outre, des évidements peuvent être crées dans des parties inutilisées comme par exemple l'évidement 60 afin d'alléger la structure.
Ces évidements 60 permettent d'intégrer l'électronique 600 des instruments additionnels tels qu'un système de navigation, des batteries, des systèmes de transmission radio, des centrales inertielles, des mécanismes pointage ou de déploiement etc.
Ces instruments contribuent à rendre l'ensemble autonome, notamment lorsque celui-ci est intégré au sein d'un porteur mobile de type véhicule aérien. Dans le cas d'un porteur spatial on laisse la structure du dispositif ouverte.
En effet, dans les instruments optiques à haute résolution, les électroniques génératrices de dissipation thermique et des vibrations sont généralement déportées. Or pour une application embarquée, la structure et les optiques devront être à même de subir des variations de température significatives. Il est alors possible d'intégrer une partie voire la totalité de l'électronique au sein des évidements 60 disponibles dans la structure.
Distribuer les composants électroniques dans plusieurs évidements permet d'uniformiser la charge thermique.
Réalisée dans un matériau thermiquement conducteur, la structure 10 peut servir de radiateur pour le refroidissement passif de l'électronique. Une alimentation extérieure continue élimine les vibrations liées aux transformateurs. Rendre l'instrument autonome facilite son interfaçage avec le porteur et sa maintenance (remplacement de toute la chaîne opto-électronique).
La figure 27 illustre le dispositif intégré dans un porteur, ici un aéronef. Notons que de la même manière il peut être intégré dans un satellite. La figure 7 illustre une structure formée par un bloc monolithique comprenant une pluralité d'évidements disposés en nid d'abeille. Un arrangement des évidements en forme de nid d'abeille permet de disposer sur un même réseau hexagonal les évidements utilisés pour le télescope de recombinaison ou les télescopes élémentaires et d'autres évidements, tout en garantissant une forte rigidité. Sur la figure 7 des détecteurs Det 1 , Det 2 sont intégrés dans des évidements, par exemple, de même que des calculateurs embarqués CPU, les évidements noircis sont destinés à recevoir les éléments optiques.
Il est à noter qu'une structure périodique hexagonale est bien connue pour ses propriétés mécaniques (nid d'abeille). Un tel arrangement a aussi un intérêt pour l'agencement des télescopes comme connu (voir par exemple, J. E. GOLAY, « Point arrays having compact, non-redundant autocorrélations, » Journal of Optical Society of America, vol. 61 , 1972, pp. 272-273). Ces deux contraintes, mécaniques et optiques, sont donc compatibles et permettent de loger les télescopes dans les évidements de la structure.
De nombreuses autres configurations pupillaires, connues de l'homme du métier, ont été proposées pour un réseau de télescopes. L'instrument peut être mis en rotation autour de son axe pour créer une pupille synthétique. Les sous-pupilles peuvent aussi être disposées sur une poutre linéaire, sur une structure en étoile autour du télescope de recombinaison, etc.
Dans le dispositif, le miroir périscopique externe 132 est au voisinage du miroir primaire 121 du télescope élémentaire. Ceci contrairement au dispositif de l'art antérieur tel qu'illustré sur la figure 3, où les miroirs du périscope (interne et externe) sont situés loin derrière le miroir primaire du télescope élémentaire. Ceci permet avantageusement d'avoir un dispositif compact.
La figure 6 illustre une configuration dans laquelle, l'axe de visée de l'instrument est perpendiculaire à la face de sortie. La figure 9 illustre une configuration dans laquelle la direction de visée est inclinée d'un angle θ par rapport à la normale à la structure. Dans ce cas, il existe une différence de marche extérieure Le, qu'il faut compenser par une différence de marche entre les trajets intérieurs L,i et Ll2, par exemple en décentrant le télescope de recombinaison ou en agissant sur les périscopes.
Cette disposition à plat permet une visée en avant lorsque l'instrument est installé sur un porteur. C'est alors sur la structure que reposeront les contraintes spécifiques d'alignement dans cette configuration (angle des télescopes, égalisation des trajets optiques).
Par ailleurs, toujours en comparant les dispositifs illustrés sur les figures 3 et 5, le gain en terme de hauteur est spectaculaire. En effet, il n'est plus nécessaire d'avoir recours à un support dédié pour supporter l'ensemble et notamment d'assurer la liaison entre les différents télescopes formant le réseau au moyen d'éléments dédiés, par exemple des armatures.
La structure 10 assure cette fonction puisque les « connexions » entre les éléments optiques intégrés au sein du dispositif sont intrinsèquement formées par les évidements 120, 130 et 140 de la structure 10.
De manière avantageuse, le fait d'utiliser une structure formant support du dispositif est que la structure peut aussi servir de protection, étanche, si besoin.
En conclusion, il apparaît qu'il est possible d'intégrer l'ensemble des éléments du dispositif d'observation dans un volume occupé habituellement par le seul miroir primaire d'un télescope monolithique tel que connu (voir figure 2). D'autres types de configuration, autre que celle illustrée par la figure
6 sont possibles.
La figure 10 illustre un cas extrême de configuration : le télescope élémentaire TE est constitué d'une (et une seule) lentille Le et les deux périscopes PE incluent (éventuellement) une puissance optique, en outre il n'y a pas de télescope de recombinaison.
Un tel arrangement permet de réduire à l'extrême le nombre d'optiques du dispositif. La figure 11 illustre un mode de réalisation du dispositif où les télescopes élémentaires sont en fait des lunettes dioptriques, intégrant une partie des périscopes. Cette figure illustre également un mode d'alignement des périscopes par la structure elle-même. Les périscopes externes sont positionnés directement sur la structure, et orientés/positionnés grâce aux faces en regard, correctement polies.
De même, l'alignement des périscopes internes est assuré par un petit prisme. L'alignement relatif entre les périscopes internes et externes se fait via les faces plates d'interface entre les deux prismes, elles aussi polies. L'ajustement fin se fait par le positionnement relatif des deux prismes, puis des lentilles supérieures.
La figure 12 illustre un autre mode de réalisation du dispositif, en émission LASER. Chaque télescope élémentaire est un collimateur parabolique, alimenté en son foyer par une fibre optique monomode. Pour cophaser le réseau, des télescopes de recombinaison effectuent des recombinaisons par triplets, avec pour référence le télescope central. L'analyse de l'image au foyer du télescope de recombinaison permet de mesurer les pistons et basculements différentiels sur les télescopes, afin de les corriger par déplacement des fibres optiques ou par des déphaseurs fibres.
Il est ainsi possible de réaliser un émetteur laser de forte puissance, limité par la diffraction, à partir de chaînes laser parallèles de puissance plus modeste. Une implémentation similaire consiste à utiliser une série de faisceaux collimatés et des télescopes afocaux.
Description détaillée des télescopes élémentaires
Les télescopes élémentaires sont des collecteurs de faisceaux lumineux, par exemple afocaux, constituant le réseau. La recombinaison interférométrique des télescopes élémentaires dans un grand champ, nécessaire pour obtenir une image à haute résolution de l'objet observé, engendre sur les télescopes élémentaires et les périscopes de nombreuses contraintes spécifiques.
Comme déjà mentionné, les dispositifs à synthèse ouverture optique de l'art antérieur sont fondés sur des télescopes élémentaires très complexes pour satisfaire aux contraintes interférométriques à grand champ. Dans ces dispositifs connus de nombreux composants optiques sont requis, et les composants en transmission (lentilles, hublots) sont évités dans les bras interférométriques.
Dans le cadre d'un réseau compact embarqué, comme décrit ici, l'utilisation de composants dioptriques peut être avantageuse pour minimiser la hauteur du dispositif ou pour assurer d'autres fonctions.
Il convient alors de réaliser ces composants de manière à minimiser entre les bras les épaisseurs différentielles de matériaux transmis.
Au pire, des compensateurs connus de l'homme du métier peuvent être insérés dans chaque bras.
Les télescopes élémentaires peuvent préférentiellement être à deux miroirs (primaire 121 et secondaire 122), dans le cas de télescopes de type
Mersenne à paraboloïdes confocaux, ou à trois miroirs, dans le cas de télescopes de type Offner, ou dioptriques ou catadioptriques. Ces télescopes sont fermés par un hublot pour certaines applications.
Les télescopes élémentaires peuvent être repliés latéralement par un miroir plan (dans le cas d'une configuration de type Newton) qui peut par exemple être supporté par un hublot 16 de la structure 10 du dispositif.
Un tel repliement des faisceaux contribue à réduire la longueur des télescopes élémentaires ou à simplifier les réglages.
Sur la figure 13, un télescope élémentaire du type Mersenne-Gregory est illustré. Celui-ci peut être replié latéralement de deux manières, illustrées à gauche et à droite.
Ce miroir de repliement MR (de type Newton) peut par exemple être tenu par un hublot.
Dans la configuration du miroir secondaire 122 à droite (en traits pointillés), un unique miroir plan de repliement assure les réflexions. Ce miroir de repliement, peu critique en précision de réglage, peut être lié de manière fixe et définitive au hublot.
C'est sur le miroir secondaire 122, situé hors du faisceau optique, qu'est installée la mécanique dédiée au réglage. La configuration du miroir secondaire 122 à gauche permet en outre de placer un miroir actif au niveau du foyer intermédiaire, pouvant être utilisé comme ligne à retard (piston) ou pour l'alignement pupillaire (tip/tilt).
Il est à noter que dans les deux configurations, le télescope est replié deux fois, ce qui peut présenter un intérêt pour la compensation des effets de polarisation (effets que nous décrirons par la suite dans la section dédiée aux périscopes).
En outre, le repliement du télescope élémentaire au voisinage d'un foyer intermédiaire permet d'utiliser ce foyer pour y insérer un détecteur grand champ (type caméra CCD) en périphérie du champ replié. Le champ autour du miroir actif peut ainsi être récupéré pour une image grand champ.
Le miroir plan peut être supporté par le hublot de fermeture 18.
Les télescopes élémentaires peuvent être du type « Offner ».
Un tel télescope comprend un miroir primaire de forme parabolique, un miroir secondaire et un miroir tertiaire de forme parabolique. L'utilisation d'un miroir tertiaire, par rapport à un télescope Mersenne permet de corriger la courbure de champ (aberration limitative d'un Mersenne).
Un tel télescope peut être utilisé avec un périscope externe traversé par un foyer intermédiaire et avec le miroir tertiaire 123 logé dans le miroir primaire 121 (voir figure 17).
Il est à noter que les télescopes élémentaires (du type Offner ou autre) peuvent se prolonger dans le périscope du même bras (voir figure 18) ce qui permet de réduire les aberrations ou de réduire l'encombrement du dispositif. Les télescopes élémentaires peuvent être du type « off-axis », ou à base d'optiques qui ne sont pas de révolution. La figure 8 illustre un tel télescope, c'est notamment la configuration des miroirs primaire 121 et secondaire 122 qui donne le caractère « off- axis » à ce télescope. Le terme « off-axis » défini l'angle par rapport à l'axe du faisceau principal. Cette configuration des miroirs primaire 121 et secondaire 122 permet de pouvoir placer des éléments optiques entre le miroir secondaire 122 et le miroir périscopique externe 132 sans occulter les faisceaux se propageant vers le miroir primaire 121.
Toujours selon la figure 8, un autre aspect des télescopes élémentaires « off-axis » est que l'on peut utiliser les trajets au sein de ces télescopes comme ligne à retard ce qui contribue à réduire les différences de trajets entre deux couronnes dans la pupille.
Les télescopes élémentaires peuvent aussi être non afocaux et/ou non de révolution c'est-à-dire avec des optiques de révolution non coaxiales ou des optiques sans symétrie de révolution.
Sur la figure 14 est illustré un télescope élémentaire alimentant un œil de chat lié au télescope élémentaire et non au périscope.
Il est à noter qu'un œil de chat est un rétro-réflecteur composé d'un système parabole-miroir au niveau du foyer-parabole. La courbure du miroir intermédiaire au niveau du foyer permet d'ajuster la position de la pupille de sortie.
Le faisceau issu du miroir secondaire 122 rencontre un œil de chat logé dans le miroir primaire 121.
Cet œil de chat permet de corriger (au moins partiellement) la courbure de champ d'un télescope de type Mersenne (donnée par la configuration des miroirs primaire 121 et secondaire 122) et de corriger les défauts d'alignement par un miroir piézoélectrique situé au foyer par exemple.
De manière avantageuse, un cache situé derrière ce miroir piézoélectrique permet d'éviter les faisceaux parasites provenant de l'objet (ou de la scène) observé. L'oeil de chat 810 peut être dans l'axe du télescope élémentaire ou latéral, avec un périscope externe renvoyant vers l'extérieur, sur l'oeil de chat qui renvoie le faisceau vers l'intérieur sur le télescope de recombinaison comme illustré sur la figure 15. Sur la figure 16 est illustré un agencement possible entre les télescopes élémentaires et le périscope.
Avec cette configuration la compensation des déphasages entre polarisations induites par le train périscopique peut-être effectuée en insérant un périscope supplémentaire dans le plan perpendiculaire. Le deuxième périscope peut par exemple être inséré au niveau d'un foyer intermédiaire F ou en sortie des télescopes élémentaires.
De manière avantageuse, tout télescope élémentaire ne comportant que deux éléments mécaniques, lesquels éléments mécaniques peuvent assurer de nombreuses fonctions optiques, sont à privilégier pour un montage compact et une intégration simple.
Une telle disposition est utilisée par les télescopes élémentaires de la figure 6. Dans ce cas là le miroir secondaire 122 peut par exemple être fixé sur le hublot, le miroir périscopique 132 quant à lui peut être fixé sur le miroir primaire 121.
Description détaillée des périscopes
Sur la figure 6, le système périscopique est constitué du miroir périscopique externe 132 et du miroir périscopique interne 131. II est à noter que le système périscopique peut être constitué de fibres optiques en lieux et place des miroirs internes et externes.
Le miroir périscopique externe 132 renvoie les faisceaux lumineux collectés par le télescope élémentaire vers le miroir périscopique interne 131 , qui alimente le télescope de recombinaison. Une des dispositions préférée des périscopes est de les situer entre le miroir primaire 121 et le miroir secondaire 122 des télescopes élémentaires, de manière à ce que le faisceau ne traverse pas le miroir primaire 121. Le périscope externe peut dans ce cas là être supporté par le miroir primaire 121.
Un relais optique, constitué de deux optiques Lei et Le2 situées entre les miroirs périscopique interne 131 et externe 132 (voir figure 16) et conservant le caractère afocal du faisceau, permet de réimager la pupille vers le miroir périscopique interne 131 et/ou de corriger la courbure de champ des télescopes et/ou accroître le champ.
Il est également possible de permuter l'ordre entre les périscopes et les télescopes élémentaire, par exemple en prolongeant le télescope élémentaire dans les périscopes par un miroir situé après le périscope externe (voir figure 18, par exemple) ou en plaçant le périscope externe avant le télescope élémentaire (voir figure 27 par exemple).
Cette configuration avec le miroir M3 du télescope élémentaire entre les deux périscopes permet le transport pupillaire (c'est-à-dire réimager la pupille de sortie des télescopes élémentaires au voisinage du périscope intérieur, qui peut servir de miroir de correction tip/tilt).
Les miroirs périscopiques externes 132 peuvent envoyer les faisceaux vers l'extérieur, vers un montage de type oeil de chat rétro- réfléchissant, les faisceaux vers les miroirs périscopique interne, tout en apportant des fonctionnalités supplémentaires (comme par exemple, ligne à retard pour ajuster la différence de marche et correction de la courbure de champ des télescopes élémentaires).
Les périscopes peuvent également inclure des moyens de correction du chromatisme différentiel, introduit par les dioptres (notamment par les hublots ou les lentilles) dans les télescopes élémentaires ou les périscopes.
Il peut s'agir de prismes tête-bêche d'épaisseur ajustable ou de jeux de lames d'épaisseur calibrée.
Une autre fonction des périscopes est de contrôler la polarisation.
En effet, la lumière est une vibration transverse, c'est-à-dire qu'un faisceau se propageant selon une direction z est la somme de deux composantes indépendantes vibrant selon les directions x et y. Lorsque ce faisceau se réfléchit sur une surface perpendiculaire (on parle alors d'autocollimation), alors ces deux polarisations (appelées habituellement p et s, respectivement pour parallèle et perpendiculaire) ont des paramètres géométriques identiques et se comportent de manière identique. Mais à la réflexion sur une surface oblique, les coefficients de réflexion (en amplitude et en phase) des deux polarisations diffèrent. La différence d'amplitude est souvent peu significative. Par contre, le déphasage peut être assez important. Cet effet est peu important pour une optique classique car tous les rayons voient les mêmes surfaces. Mais pour un dispositif à plusieurs pupilles comme c'est le cas dans un réseau de télescopes, les périscopes ont une orientation spécifique et introduisent donc des déphasages différents sur chaque bras.
De plus, plus le nombre de réflexions obliques est important, plus l'angle d'incidence est fort et plus la longueur d'onde est courte, et plus cet effet sera important et il peut alors conduire à une forte baisse de performances.
Pour le combattre, on peut soit minimiser son amplitude soit ajouter aux deux périscopes (les deux surfaces obliques « nécessaires ») deux autres miroirs obliques « supplémentaires » dans la direction perpendiculaire, de sorte que chaque polarisateur voit deux réflexions de type s et deux réflexions de type p, et donc soient équilibrées.
Ce deuxième périscope peut être inséré dans les télescopes élémentaires, au niveau d'un foyer intermédiaire (par exemple en F sur la figure 16), d'un miroir de repliement, d'un faisceau « off-axis » (voir figure 8).
Pour gagner en compacité, ce périscope additionnel peut être simulé par un miroir de repliement utilisé deux fois.
Par exemple, sur la figure 13, le miroir plan MR ajouté dans le télescope élémentaire est utilisé avant et après réflexion sur le miroir secondaire 122.
Une autre solution consiste à minimiser le déphasage à la source. Les miroirs métalliques sont habituellement protégés par une couche contre l'oxydation.
Le traitement classique consiste à maximiser le coefficient de réflexion. Le traitement de surface des miroirs périscopiques peut avantageusement être remplacé par un autre traitement.
Une solution simple est de déposer une couche d'épaisseur minimale, à la place de la couche demi-onde traditionnelle, ce qui tend à minimiser l'écart de phase entre les deux polarisations. En particulier, on peut utiliser un traitement anti-oxydant constitué d'un matériau protecteur transparent déposé en une couche d'épaisseur minimale de manière à réduire les déphasages introduits lors des réflexions obliques.
Les miroirs plans des périscopes peuvent être remplacés par des miroirs optiquement actifs.
Les périscopes ont aussi comme fonction d'égaliser les trajets optiques sur les différents bras.
Pour une configuration des télescopes élémentaires en cercle et une visée normale, des trains identiques suffisent. Pour une autre configuration (voir figure 9), l'angle d'incidence sur les périscopes ou leur espacement peut être ajusté pour régler la longueur de chaque bras.
Si le télescope de recombinaison et les télescopes élémentaires sont tête-bêche et les périscopes à 45 degrés d'incidence, il suffit de changer le tirage des périscopes pour ajuster la longueur de chaque bras.
Si les télescopes élémentaires sont « off-axis », la position du miroir M2 (paramètre libre) contribue à la longueur du bras.
Il est à noter que le diaphragme d'ouverture d'un télescope est habituellement situé sur le miroir primaire ou secondaire. Dans un réseau de télescopes, le champ est souvent limité par l'extension des faisceaux au niveau des périscopes internes. Dans le cadre de télescopes élémentaires de type Mersenne, alors le champ peut être maximisé en situant la pupille dans l'espace des périscopes à mi-distance entre le foyer commun de M1 -M2 et le périscope interne, c'est-à-dire à proximité du périscope externe, qui peut alors jouer le rôle de diaphragme d'ouverture. Cette disposition remplace avantageusement ce qui s'effectue dans la technique actuelle où la pupille est située sur le miroir primaire ou sur le miroir secondaire.
Description détaillée du télescope de recombinaison
Le télescope de recombinaison est un télescope focal semblable à un télescope classique connu de l'homme du métier.
Son utilisation dans le cadre d'un réseau interférométrique lui confère quelques spécificités.
Pour certaines configurations pupillaires, l'occultation centrale peut être importante.
L'espace libre entre les sous-pupilles peut être utilisé pour loger sans occultation les araignées supportant les miroirs autres que le miroir primaire 141.
Pour que l'ensemble du télescope (c'est-à-dire les télescopes élémentaires les périscopes et le télescope de recombinaison) soit orthoscopique (comportement angulaire en tangente), une distorsion inhabituelle en tangente (arcsin) doit être introduite dans le télescope de recombinaison pour compenser la distorsion en sinus introduite par les périscopes. Contrairement aux télescopes de recombinaison utilisés en interférométrie stellaire, un champ important peut être utilisé nécessitant un bon contrôle des aberrations.
Enfin, il est souhaitable de loger au moins une partie du télescope de recombinaison dans la structure 10 et donc par conséquent de minimiser sa hauteur.
De manière préférée l'ensemble du télescope de recombinaison est logé dans la structure 10 du dispositif. Pour un champ d'observation « modeste », un télescope de recombinaison à deux miroirs (type Ritchey-Chrétien par exemple) ou complété par un correcteur dioptrique peut être utilisé.
Pour un champ plus important, un télescope de recombinaison à trois miroirs (de type Korsch) est possible.
La figure 19 illustre une telle configuration, composée de trois miroirs primaire 141 , secondaire 142 et tertiaire 143, avec sortie par l'avant en profitant de la grande occultation centrale.
Le miroir tertiaire 143 peut être inséré au centre du miroir primaire 141 pour réduire l'encombrement et le nombre de composants.
Un miroir plan de repliement MR peut aussi être utilisé dans l'occultation centrale pour dégager le faisceau vers le détecteur ou allonger la focale, comme illustré sur la figure 20.
Le télescope de recombinaison peut aussi être installé dans le plan de la structure, c'est-à-dire avoir son axe perpendiculaire à l'axe optique principal.
Le télescope de recombinaison peut être supprimé, la fonction de focalisation étant alors assurée par les télescopes élémentaire et/ou les périscopes, avec utilisation éventuelle de composants optiques ne présentant pas de symétrie de révolution (voir figure 10).
Détecteurs et traitement
Les détecteurs 500 et 510 peuvent être une caméra du type CCD (en anglais, « Charge Coupled Device »).
Le détecteur 500 peut également être inclus dans la structure 10 en profitant d'un emplacement libre dans la pupille.
Il peut alors être alimenté, pour toutes les configurations du télescope de recombinaison, par une sortie latérale du faisceau via un miroir de repliement 143.
Une solution élégante est de sortir le faisceau dans la structure sans avoir à traverser le miroir primaire 141 ou secondaire 142. Ce miroir de repliement peut être supporté par le miroir primaire 141 (voir figure 6) ou par le miroir secondaire 143 (voir figure 20).
En outre, ce miroir de repliement peut être motorisé. Ce miroir permet d'alimenter successivement plusieurs détecteurs en périphérie du télescope de recombinaison, par exemple dans plusieurs bandes spectrale.
Des lames dichroïques permettent d'alimenter en parallèle plusieurs détecteurs dans plusieurs bandes (voir figure 20).
Il est à noter que l'échantillonnage des scènes, est effectué préférentiellement en respectant le critère de « Shannon » afin de pleinement exploiter l'interférométhe.
Le calculateur peut intégrer la déconvolution nécessaire en raison de la forme de la fonction de transfert pour un dispositif multi-pupilles.
Cette déconvolution doit s'effectuer à bord (dans le cas où le dispositif est embarqué) si l'image est transmise avec une compression provoquant une perte d'information.
Les figures 21 a et 21 b illustrent respectivement une image avant et après traitement.
L'image de la figure 21 b et de meilleure qualité que l'image de la figure 21 a. Un calculateur embarqué effectue si besoin en temps réel une analyse de surface d'onde et applique des corrections sur certains éléments actifs comme les miroirs des périscopes.
Ce calculateur 600 est intégré dans la structure dans un évidement 60 prévu à cet effet (voir figure 6).
Modes d'utilisations du dispositif
Outre le gain en compacité, un ensemble de télescope tel qu'illustré en figure 6 peut être utilisé de plusieurs manières, aussi bien émission qu'en réception.
Six modes d'utilisation, non exclusifs et pouvant être simultanés ou séquentiels, sont décrits ci-dessous. Une caractéristique importante du réseau est la méthode de commutation utilisée pour passer d'un mode à l'autre :
- temporelle (par le déplacement d'un ou plusieurs éléments optiques) ; dans ce cas, un unique détecteur peut être utilisé mais les modes ne peuvent pas être simultanés ;
- spatiale dans le champ (en extrayant une partie du champ au niveau d'un foyer intermédiaire, situé au niveau d'un télescope élémentaire ou d'un périscope, par exemple dans le relais optique déjà discuté) ; dans ce cas, plusieurs sous-champs disjoints peuvent être utilisés en parallèle.
- spatiale dans la pupille (via une zone inutilisé du télescope de recombinaison par exemple) ; les modes peuvent être simultanés
- spectrale (par une lame dichroïque) ; les deux modes peuvent être utilisés simultanément sur la même zone, dans deux bandes spectrales différentes.
- photométrique (avec une lame séparatrice) ; les deux modes peuvent être utilisés simultanément, le choix du rapport d'intensité permet d'optimiser le rapport signal à bruit dans chaque voie.
Pour toutes ces méthodes, la commutation entre les modes peut être facilitée par des diaphragmes de champ ou par des obturateurs masquant certains groupes de sous-pupilles, qui peuvent être situés dans les télescopes élémentaires, les périscopes ou le télescope de recombinaison.
Un premier mode (« loupe » ou « cohérent ») résulte de la recombinaison interférométrique de toutes les sous-pupilles via le télescope de recombinaison. Ce mode est caractérisé par une résolution maximale et un faible champ.
Un deuxième mode (« veille ») permet une observation à résolution moindre mais avec un plus grand champ, afin de centrer la zone d'intérêt dans le champ loupe. Ce mode peut être implanté en exploitant un plan focal d'un télescope élémentaire ou d'un périscope, en insérant dans le réseau un télescope focal dédié, ou en observant la scène à travers le télescope de recombinaison et un trajet optique dédié. Il suffit pour cela d'utiliser un hublot 18 transparent (voir figure 6) et de séparer les deux champs spectralement ou spatialement dans la pupille.
Un troisième mode (« veille muti-pupilles ») tire parti de la présence de plusieurs télescopes pour étendre si besoin le champ du mode veille précédent. Pour cela, un mode veille standard est implanté sur plusieurs télescopes élémentaires, dans des directions de champ différentes. Les images résultantes sont ensuite réunies numériquement pour obtenir le grand champ.
Le champ du mode veille multi-pupilles peut encore être élargi en orientant chaque télescope élémentaire selon un axe qui lui est propre, comme illustré sur la figure 23 où le champ Cte de chaque télescope élémentaire est représenté par un cercle de centre Oi (i=1 ,...,7).
La zone de couverture totale notée Ctot est environ deux fois plus grande que le champ Cte couvert par chaque télescope élémentaire. Le recouvrement de tous les champs des télescopes élémentaires au centre du champ permet encore le mode loupe dans la zone Ci, en compensant par les périscopes l'écart de pointage entre les télescopes élémentaires.
Un troisième mode (« incohérent ») permet une observation intermédiaire entre les modes loupe et veille, avec la résolution de chaque télescope élémentaire mais avec un gain en photométhe résultant de l'utilisation de tous les télescopes en parallèle.
Ce mode est concurrent de ce que l'on fait dans la technique telle que connue, car la grande majorité des télescopes d'observation actuels sont mal échantillonnés : le diamètre, imposé par des considérations photométriques, est « sur-résolvant » par rapport au détecteur. Le repliement de spectre engendré, correspondant aux fréquences optiquement transmises par le télescope mais mal échantillonnées par le détecteur, dégrade la qualité de l'image.
Dans le mode incohérent décrit ici, il est proposé d'utiliser un détecteur en aval du télescope de recombinaison, dont l'échantillonnage est adapté à la résolution d'une sous-pupille (selon le critère de Shannon). Le rapport signal à bruit sur chaque pixel de ce détecteur peut être augmenté par ajout des images fournies par plusieurs sous-pupille. Il suffit pour cela de recombiner les sous-pupilles avec des différences de marche telles que les faisceaux ne peuvent pas interférer.
Un mode de spectrométrie par transformée de Fourier peut en outre être implémenté par analyse des images enregistrée en présence d'une modulation en différence de marche produite par l'action des lignes à retard.
Un cinquième mode (« bonnette ») consiste à utiliser le système multi-télescope en amont d'un objectif existant pour accroître sa focale.
Pour changer la focale d'un objectif, l'état de l'art actuel consiste à utiliser un zoom ou une lentille de Barlow. Insérée entre l'objectif et son détecteur, cette lentille divergente permet de doubler la focale (f2 = 2.f1 , comme illustré sur les figures 24a et 24b) sans trop modifier l'objectif. Cependant, si la focale est augmentée, la résolution ultime et la photométrie sont inchangées, imposées par le diamètre de la pupille d'entrée de l'objectif. Une solution alternative est d'utiliser, en amont de l'objectif, un dispositif rallongeant la focale tout en augmentant le diamètre de la pupille. Afin de gagner en compacité, un tel système afocal peut avantageusement être remplacé par un ensemble de télescopes élémentaires et de périscopes montés dans une structure commune, comme illustré sur la figure 25. L'objectif initial 154 joue alors le rôle du télescope de recombinaison.
Un exemple de commutation entre les modes veille et loupe est illustrée en figure 19, montrant comment trois champs différents peuvent être formés sur le même capteur. Si le miroir secondaire du télescope de recombinaison 142 est déplacé contrairement à la flèche représentée pour le positionner sur la surface en pointillés, alors le détecteur est alimenté par le foyer primaire du miroir M1 (mode veille, en supposant tous les périscopes obturés sauf un).
En remettant le miroir secondaire 142 à sa place selon la flèche, le détecteur est alimenté en mode loupe. On peut également introduire un miroir de repliement MR, par exemple entre les miroirs secondaire 142 et tertiaire 143, pour imager le foyer après le miroir secondaire 142 sur le détecteur.
Un exemple d'utilisation simultanée des modes cohérent et incohérent est illustré en figure 26. Les faisceaux issus des périscopes sont recombinés par un télescope de recombinaison afocal. Une lame 151 (dichroïque ou séparatrice à forte réflexion) et un miroir de renvoi 154 génèrent deux faisceaux, focalisés sur deux détecteurs similaires 152 et 153. Sur le faisceau inférieur, la cohérence entre les faisceaux est détruite par un miroir 154 présentant des marches sur chaque sous-pupilles, ou par un ensemble 150 de lames de verre d'épaisseur différentes insérées sur chaque bras, ou de manière équivalente par un bloc de verre unique poli ou adhéré de sorte que chaque sous-pupille traverse une épaisseur différente.
Pour satisfaire aux conditions d'échantillonnage, une grande focale est utilisée pour le faisceau supérieur (mode loupe), alors que le faisceau inférieur (mode incohérent) utilise une focale plus courte.
Réglage des composants optiques au sein de la structure
Dans certains modes d'observation, le détecteur est alimenté par plusieurs faisceaux provenant de bras différents. Il alors important que ces faisceaux présentent des caractéristiques similaires afin de bien se superposer sur le détecteur et fournir des images de qualité. Ceci induit des fortes contraintes de similitude entre les bras, plus particulièrement pour le mode loupe où l'interférence entre les faisceaux nécessite un contrôle des différences de marche avec une erreur inférieure à une faible fraction de la longueur d'onde.
Dans l'état de l'art actuel, les télescopes présentent des réglages internes (alignement relatif des miroirs), les périscopes incluent pour l'alignement en basculement et piston des miroirs orientables et des lignes à retards de grande course. Ces composants sont souvent contrôlés pendant l'observation, ce qui complexifie et fragilise considérablement le système. Le but poursuivi ici est de réduire l'encombrement, la complexité et les coûts, tout en garantissant le fonctionnement dans un système embarqué en présence de variations de température, de vibrations ou de chocs. Il est donc crucial de réduire le nombre de mécanismes et la sensibilité aux perturbations. Selon l'amplitude des perturbations à corriger et la longueur d'onde d'observation, l'alignement peut être statique ou dynamique comme décrit dans la section suivante.
La structure 10 peut être réalisée avec un matériau rigide comme le carbone, le zérodur, l'invar ou le titane, dont le coefficient de dilatation est faible et peut être apparié à celui des matériaux utilisés pour les pièces optiques.
Comme la masse de cette structure est faible en raison des nombreux évidements, elle présente une excellente stabilité dimensionnelle, voisine de celle du miroir primaire du télescope monolithique équivalent (voir figure 1 ).
Ainsi, contrairement aux dispositifs tels que connus où la structure 200 de la figure 3 par exemple, sert uniquement à supporter le réseau de télescopes, la structure 10 telle qu'illustrée par la figure 6 peut avantageusement constituer une référence mécanique dans tout le volume de l'instrument et ainsi contribuer au positionnement absolu des miroirs 121 -122 au sein de chaque télescope élémentaire ou des miroirs 131 -132 au sein des périscopes ou des miroirs 141-142 au sein du télescope de recombinaison. Chaque fois que cela est possible, ce positionnement est effectué par un ajustement sans jeu. Des moyens d'usinage modernes comme les machines-outils à commande numérique permettent, pour des structures de dimension submétrique à métrique, d'usiner des surfaces de référence à une précision largement sub-millimétrique et donc de réduire considérablement voire supprimer la course nécessaire aux éléments de réglage du réseau. Les degrés de libertés les plus critiques peuvent être contrôlés localement par des dispositifs dédiés. Par exemple, le manchon 800 de la figure 14 matérialise l'axe du télescope élémentaire et assure le centrage du miroir primaire 121 , le centrage du miroir secondaire 122, et le tirage entre le miroir primaire 121 et secondaire 122. Il est ainsi possible par le seul ajustement de 800 d'effectuer un réglage usine d'un télescope, éventuellement à l'aide de vis latérales de pression agissant sur les pièces optiques. L'ensemble 800-121 - 122 peut ensuite être positionné de manière absolue par un alésage de la structure 10.
Une configuration similaire peut être utilisée pour les périscopes, avec un montage tel que celui illustré par la figure 22.
Dans cette implémentation, les miroirs périscopiques interne 131 et externe 132 sont liés par une entretoise 900 qui assure leur positionnement relatif.
Pour minimiser le nombre d'éléments à positionner, et pour des réglages peu critiques comme ceux du miroir de repliement 143, une fixation directe sur le miroir primaire 141 du télescope de recombinaison peut être envisagée (voir figure 6). Cette méthode peut aussi être considérée pour fixer les miroirs périscopiques extérieurs sur les primaires des télescopes élémentaires (voir les miroirs 132 et 121 sur la figure 6). Les miroirs périscopiques internes peuvent être regroupés sur une même pyramide ou sur une même pièce (centrage de 131 dans des trous des flasques 18 par exemple).
Les manchons 800, les entretoises 900, les miroirs 121-122-131-132 les hublots 16 ou autres composants dioptriques peuvent être réalisés selon une procédure qui maximise leur similitude entre tous les bras.
Si des lignes à retard peuvent doivent être installées dans l'instrument, leur intégration au niveau des télescopes élémentaires - le long de leur axe (voir figure 9) ou perpendiculairement (voire figure 10) - permet de minimiser le volume occupé et le nombre de miroirs de renvoi nécessaires, contrairement à l'art actuel. Alignement dynamique
Si la qualité de l'alignement statique n'est pas suffisante pour assurer la performance requise, alors un alignement dynamique doit être intégré dans l'instrument.
Cet alignement repose sur des capteurs mesurant les écarts entre les bras et sur des actionneurs appliquant les corrections requises dans chaque bras. Ces dispositifs complexifient l'instrument, mais les gains en performance, encombrement et masse qui en résultent rendent un tel système de cophasage de plus en plus attractif pour de nombreux instruments.
Le système de cophasage peut être de deux types. Un cophasage interne est basé sur des systèmes métrologiques mesurant des distances d'intérêt au sein de l'instrument. Un cophasage externe est basé sur l'analyse de la lumière émise par l'objet.
L'avantage d'un cophasage externe temps réel est qu'il permet d'élargir le domaine d'application de l'instrument par la correction de la turbulence atmosphérique.
Un cophasage interne peut être implanté en déposant sur les hublots 16 un traitement au moins partiellement réfléchissant à une longueur d'onde laser hors du domaine spectral d'observation. Une source laser rebours, installée à proximité du détecteur 500, peut ainsi être rétro-réfléchie sur un détecteur dédié à proximité du détecteur 500. Ce trajet métrologique aller- retour permet de mesurer la longueur de chaque bras. Les éventuels écarts d'alignement des hublots, a priori statiques car les hublots sont positionnés par la structure 10 de grande stabilité dimensionnelle, sont mesurés une fois pour toutes lors de l'assemblage initial du réseau. Leur connaissance permet ultérieurement d'aligner le réseau à partir des mesures de longueur sur chaque bras. Les actionneurs de correction sont des dispositifs comme des cales piézo-électriques, permettant de déplacer certains miroirs. Ces miroirs de réglage sont a priori des miroirs plans, de faible diamètre, comme des petits miroirs de repliement à proximité d'un plan focal intermédiaire. Dans la technique actuelle, ils sont inclus dans les lignes à retard du train périscopique. Ils peuvent avantageusement être insérés dans les télescopes élémentaires (PZT sur la figure 13 ou élément 810 des figures 14 et 15).
Système de pointage
Une fois le télescope aligné, la qualité de l'image obtenue dépend fortement que la qualité du pointage pendant la pose, surtout pour un instrument embarqué sur un porteur mobile.
Les performances du dispositif peuvent alors être améliorées par un système de pointage fin embarqué à bord de l'instrument.
L'actionneur de pointage fin peut être un miroir plan de repliement latéral, comme par exemple le miroir 143 de la figure 6. Si certains miroirs peuvent être contrôlés en position, par exemple dans les trains périscopiques pour réaliser le cophasage du réseau, alors le miroir de pointage unique dans le télescope de recombinaison peut se remplacer par une combinaison de pistons et basculements appliqués dans chaque bras.
Exemples d'applications
Le dispositif peut être utilisé en mode émetteur cohérent pour fournir une étoile laser sur un télescope astronomique.
L'utilisation d'un réseau de petits télescopes (voir figure 12) permet d'installer un système de faible épaisseur derrière le secondaire du télescope, de l'alimenter par une série de fibres optiques, de contrôler la direction d'émission ou de pré-compenser la turbulence atmosphérique par contrôle de la phase sur chaque sous-pupille.
Le dispositif peut être utilisé en mode récepteur incohérent pour des applications de type LIDAR où il est important de disposer d'une surface collectrice importante mais de qualité optique grossière. Les faisceaux collectés par les sous-pupilles sont focalisés sur un détecteur unique pour maximiser le rapport signal-à-bruit.
Les deux exemples précédents peuvent être regroupés pour une source puisée, les mêmes télescopes servant successivement à l'émission et à la réception.
Le dispositif peut être utilisé en mode récepteur veille / loupe / incohérent pour un système de surveillance. Le faible volume, la facilité de pointage, la protection contre les agents atmosphériques, la présence des modes grands et petit champ permettent d'installer ce système à demeure à grande distance du site d'intérêt.
Le dispositif peut être utilisé en mode bonnette (cohérent ou incohérent) pour remplacer un téléobjectif sur un appareil photo (voir figure 25), avec un gain notable en encombrement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif optique comprenant une pluralité de sous-pupilles chacune constituée d'une pluralité d'éléments optiques pour l'observation d'une scène, la pluralité de sous-pupilles formant la pupille d'entrée du dispositif, caractérisé en ce que l'ensemble des éléments optiques constituant chaque sous-pupille est intégré au sein d'une structure (10) mécanique rigide supportant l'ensemble des éléments optiques et assurant la rigidité du dispositif, ladite structure (10) ayant une hauteur (L) inférieure au diamètre (B) de la pupille d'entrée du dispositif.
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la hauteur (L) minimale de la structure (10) est égale à βι_.B, où la constante βι_ est fonction du matériau utilisé pour la structure (10) et où B est le diamètre de la pupille d'entrée du dispositif, la constante βι_ étant typiquement comprise entre 1/10 et 1/6 pour un matériau comme le zérodur ou la silice.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure (10) est en matériau de coefficient de dilatation thermique proche de celui des optiques, typiquement égal à 1x10~7 K"1 pour le zérodur.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure (10) a comme forme générale choisie parmi l'un des solides suivants : parallélépipède, cylindre de révolution, portion de calotte sphérique ou cylindrique, cylindre de courbe directrice un polygone étoile.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure (10) est un bloc monolithique évidé pour supporter, intégrer et éventuellement positionner précisément les éléments optiques, ledit bloc ayant une faible masse tout en conservant une forte stabilité dimensionnelle.
6. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les évidements sont destinés à transmettre le ou les faisceau(x) optique(s) issu(s) de la scène observée au sein de la structure (10).
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure (10) est obtenue par une combinaison de moulage, usinage, assemblage ou adhérence moléculaire.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments optiques forment pour chaque sous-pupille
- un collecteur élémentaire, - un périscope destiné à guider un ou des faisceau(x) issu(s) d'un collecteur élémentaire vers le centre de la structure (10).
9. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que chaque collecteur élémentaire comprend au moins une optique primaire (121 ).
10. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un recombinateur au centre de la structure (10) destiné à recombiner le ou les faisceau(x) issu(s) de chaque périscope.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'axe optique (YY) des collecteurs élémentaires est parallèle à l'axe optique du recombinateur (XX).
12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'axe optique (YY) des collecteurs élémentaires est incliné par rapport à la normale à la structure (10).
13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que les collecteurs élémentaires et les périscopes sont imbriqués pour favoriser leur intégration au sein de la structure (10).
14. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détecteur (500) alimenté par un unique collecteur parmi la pluralité de collecteurs du dispositif ou par le télescope de recombinaison.
15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur (510) pour l'acquisition d'une scène observée par une pluralité de collecteurs.
16. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments optiques sont une combinaison de lentilles et/ou de miroirs.
17. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les miroirs comprennent un traitement anti-oxydant constitué d'un matériau protecteur transparent déposé en une couche d'épaisseur minimale de manière à réduire les déphasages introduits lors des réflexions obliques.
18. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 10, caractérisé en ce que chaque périscope est formé de fibres optiques pour guider le ou les faisceau(x) issu(s) du collecteur élémentaire vers le recombinateur.
19. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'alimentation, des moyens pour réaliser un cophasage temps réel, des moyens pour de traitement, lesdits moyens étant intégrés au sein de la structure.
20. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à être utilisé en émission LASER par l'utilisation simultanée des éléments optiques formant les sous-pupilles intégrés au sein de la structure.
21. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure (10) complétée par des hublots sert de protection aux éléments qu'elle intègre.
22. Porteur mobile, typiquement un aéronef ou un satellite, comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes.
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