WO1998055893A1 - Systeme catoptrique grand angulaire a miroirs - Google Patents

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0647—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using more than three curved mirrors
    • G02B17/0657—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using more than three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry

Definitions

  • the invention relates to a wide-angle catoptric system, in particular for astronomical or spatial observation in a wide spectral range.
  • Combinations of mirrors constituting a wide angle system are known, as described for example in the publications EP-A-0 601 871 and US 5 379 157 which relate to systems with four mirrors including a primary convex mirror, which make it possible to obtain a field of view of at least 13.5 ° by 27 °.
  • the present invention aims to provide a system of four mirrors which makes it possible to obtain a significantly wider field of observation, of the order of 70 ° by 2 ° at least.
  • the invention also aims to provide a system of low distortion.
  • the invention also aims to provide a space-saving system.
  • this combination successively comprises:
  • the optical system of the invention can also be defined as the combination of a convex input mirror (Ml) and an anastigmat with three mirrors (M2, M3, M4) whose first mirror (M2) is also convex .
  • the pupil is placed on the second mirror (M3) of the anastigmat. It can also be defined in reverse as the combination of two mirrors (M4, M3) acting a little like a SCHMIDT telescope, the quasi-plane mirror (M3) serving as a pupil and being placed in the vicinity of the focal point of M4 to obtain a quasi telecentricity, and two successive convex mirrors (M2, Ml), which provide the desired large field.
  • the four mirrors are preferably aspherical to obtain correction of the distortion and other aberrations.
  • all of the lens, mirrors and structure are made of the same material, such as aluminum, Invar or a ceramic with a low coefficient of expansion.
  • the distance between the primary and secondary mirrors as well as the distance between the secondary and tertiary mirrors is between 2 and 7 times the focal distance.
  • FIG. 1 is a block diagram of the optical system
  • FIG. 2 is a perspective of the optical formula
  • - Figure 3 is a meridian section of the optical formula
  • Figure 4 is a diagram of the mechanical structure of the system.
  • the optical system consists of four spherical mirrors.
  • the third mirror of the combination (M3) is 150 mm from the M2, in the direction of Ml.
  • This mirror constitutes the pupil of the system, i.e. it limits the flux collected by the optical system.
  • the fourth mirror (M4) is located at a distance of 150 mm from the M3, towards the M2.
  • the surface parameters are as follows:
  • the opening number of the telescope defined by the ratio between the focal length of the system and the diameter of the entrance pupil, is 3.75.
  • the admissible field by the telescope is +/- 36 ° in an off-center direction of 26.5 ° in a direction perpendicular to the first direction.
  • the first mirror (Ml) and the third mirror (M3) are almost in the same place and are produced on the same substrate.
  • the material used is preferably aluminum or silicon for all of the mirrors and the structure.
  • the pupil (P) is placed near the mirror (M3) in the vicinity of the focal point of the mirror (M4).
  • the aperture can typically go up to F / 3.75 - F / 4.
  • the axial size is five to six times the focal length, or about 170 mm.
  • the distortion is around 1%.
  • each mirror is machined at the same time as its bearing surfaces, by diamond machining.
  • the invention is not limited to this embodiment.

Abstract

L'invention concerne un système catoptrique grand angulaire. Le système comprend un miroir primaire (M1) convexe, un miroir secondaire (M2), un miroir tertiaire (M3) et un miroir quaternaire (M4) et il est caractérisé en ce que le miroir secondaire (M2) est convexe. L'invention s'applique notamment à l'observation astronomique ou spatiale dans une large plage spectrale.

Description

SYSTEME CATOPTRIQUE GRAND ANGULAIRE A MIROIRS
L'invention concerne un système catoptrique grand angulaire, notamment pour l'observation astronomique ou spatiale dans une large plage spectrale. On connaît des combinaisons de miroirs constituant un système grand angulaire, comme décrit par exemple dans les publications EP-A-0 601 871 et US 5 379 157 qui concernent des systèmes à quatre miroirs dont un miroir primaire convexe, qui permettent d'obtenir un champ d'observation d'au moins 13,5° sur 27°.
La présente invention vise à fournir un système de quatre miroirs qui permette d'obtenir un champ d'observation sensiblement plus étendu, de l'ordre de 70° sur 2° au moins. L'invention vise également à fournir un système de faible distorsion.
L'invention vise encore à fournir un système de faible encombrement .
On y parvient selon la présente invention en utilisant comme miroir secondaire un miroir convexe.
Dans un exemple de réalisation typique d'une combinaison selon l'invention, cette combinaison comprend successivement :
- un miroir primaire (Ml) convexe, - un miroir secondaire (M2) convexe,
- un miroir tertiaire (M3) proche du plan focal, et
- un miroir quaternaire (M4) concave.
Le système optique de 1 ' invention peut encore être défini comme la combinaison d'un miroir d'entrée convexe (Ml) et d'un anastigmat à trois miroirs (M2, M3 , M4 ) dont le premier miroir (M2) est convexe également.
La pupille est placée sur le second miroir (M3) de 1 ' anastigmat . II peut aussi être défini à rebours comme la combinaison de deux miroirs (M4, M3) agissant un peu comme un télescope de SCHMIDT, le miroir quasi plan (M3) servant de pupille et étant placé au voisinage du foyer de M4 pour obtenir une quasi télécentricité, et de deux miroirs convexes successifs (M2, Ml) , qui apportent le grand champ souhaité.
Les quatre miroirs sont de préférence asphérisés pour obtenir la correction de la distorsion et d'autres aberrations .
De préférence, l'ensemble de l'objectif, des miroirs et de la structure est réalisé dans un même matériau, comme l'aluminium, l'Invar ou une céramique à bas coefficient de dilatation.
Selon une autre particularité de l'invention, la distance entre les miroirs primaire et secondaire ainsi que la distance entre les miroirs secondaire et tertiaire est comprise entre 2 et 7 fois la distance focale .
On décrira ci-après un exemple de réalisation d'un système optique selon l'invention en référence aux figures du dessin joint sur lequel :
- la figure 1 est un schéma de principe du système optique ;
- la figure 2 est une perspective de la formule optique ; - la figure 3 est une section méridienne de la formule optique, et la figure 4 est un schéma de la structure mécanique du système.
Le système optique se compose de quatre miroirs sphériques .
Ces miroirs sont des formes de révolution. La description de ces surfaces se fait sur une méridienne qui est définie par l'équation de la flèche Z en fonction de la distance h à l'axe optique par la formule suivante : 10
Figure imgf000005_0001
avec les coefficients définis comme suit : R Rayon de courbure au sommet de la surface k constante de conicité de la surface A constante de la déformée d'ordre 4 B constante de la déformée d'ordre 6 C constante de la déformée d'ordre 8 D constante de la déformée d'ordre 10
Cette déformation permet de définir la forme des miroirs employés dans la combinaison optique du système. Le premier miroir de la combinaison ( Ml) est centré et possède comme paramètres de surface : R=493,37 mm convexe k=- 38,815
A=0
B=- 0,315 x 10e-12
C=0,135 x 10e-16 D=- 0,214 x 10e"21
A une distance de 150 mm de ce premier miroir, le deuxième miroir (M2) de la combinaison possède les paramètres de surface suivants : R=261,84mm convexe k=17,540 A=0
B=0,213 x 10e-10
C=0,359 x 10e-14
D=0 Le troisième miroir de la combinaison (M3) se trouve à 150 mm du M2 , en direction de Ml. Les paramètres de surface sont les suivants : R=809,17 mm concave k=- 41,637 A=0
B=- 0,601 x 10e-11 C=0
D=- 0, 516 x 10e-17
Ce miroir constitue la pupille du système, i.e. il limite le flux collecté par le système optique.
Le quatrième miroir (M4) est situé à une distance de 150 mm du M3 , en direction du M2. Les paramètres de surface sont les suivants :
R = 252,498 mm concave k = 0,0044 A = 0 B = 0,243 x 10e"12
C = - 0,386 x 10e"16 D = 0
Le nombre d'ouverture du télescope, défini par le rapport entre le focale du système et le diamètre de la pupille d'entrée, est de 3,75.
Le champ admissible par le télescope est de +/-36° selon une direction décentrée de 26.5° dans une direction perpendiculaire à la première direction.
Dans cette réalisation, le premier miroir (Ml) et le troisième miroir (M3) sont presque à la même place et sont réalisés sur un même substra .
La matière utilisée est de préférence l'aluminium ou le silicium pour l'ensemble des miroirs et la structure . La pupille (P) est placée à proximité du miroir (M3) au voisinage du foyer du miroir (M4) .
L'ouverture peut monter typiquement à F/3,75 - F/4. L'encombrement axial est de cinq à six fois la focale, soit environ 170 mm.
La distorsion est d'environ 1%.
Pour assurer un alignement correct, chaque miroir est usiné en même temps que ses portées d'appui, par usinage diamant.
L'invention n'est pas limitée à cette réalisation.

Claims

Revendications
1. Système catoptrique grand angulaire et à faible distorsion pour l'observation astronomique ou spatiale, qui comprend un miroir primaire (Ml) convexe, un miroir secondaire (M2), un miroir tertiaire (M3) et un miroir quaternaire (M4), caractérisé en ce que le miroir secondaire (M2) est convexe.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le miroir tertiaire (M3) est proche du plan focal .
3. Système selon l'une des revendications 1 ou
2, dans lequel le miroir quaternaire (M4) est concave.
4. Système optique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la distance (M1-M2) entre les miroirs primaire et secondaire et la distance (M2-M3) entre Les miroirs secondaire et tertiaire sont comprises entre 2 et 7 fois la distance focale.
5. Système optique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier miroir (Ml) et le troisième miroir (M3) sont presque à la même place .
6. Système optique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier miroir (Ml) et le troisième miroir (M3) sont réalisés sur un même substrat .
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