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 B ³ et son moment d'inertie en B ⁵ .

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 B ³ .

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 L ₃ 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 β _L , 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 ^"1 pour 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 L _e , qu'il faut

compenser par une différence de marche entre les trajets intérieurs L,i et L _l2 , 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 L _e 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 L _e i et L _e2 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.