Une bonne optique

Dans cette partie sur les notions d’optique, nous ne parlerons que des miroirs de télescopes et non pas des objectifs de lunettes astronomiques. Un résumé des différentes formules optiques se trouve en bas de page.

Tout d’abord en observant la tache de diffraction d’une étoile, qui permet de savoir si l’optique est bien corrigée de l’aberration de sphéricité. Le moyen est très simple à mettre en oeuvre puis-qu’ il s’ agit d’observer l’aspect que prend la tache de diffraction en position intra-focale et en position extra-focale, voici quelques aspects que l’on rencontre le plus fréquemment :

Position intra focale – mise au point – position extra focale

Premier cas, le meilleur bien sûr, les images intra et extra focales
sont identiques, l’optique est bien corrigée de l’aberration de sphéricité, l’anneau extérieur est toujours plus épais que les anneaux intérieurs.
Deuxième cas, le plus fréquent, en position intra-focale le dernier anneau est irisée et donc beaucoup plus épais, en même temps les anneaux intérieurs deviennent plus flou, ce cas est un défaut de bord rabattu, bien sûr cet aspect sera plus ou moins prononcé suivant l’importance du défaut.
Troisième cas que l’on trouve principalement sur des télescopes
de l’industrie dont les optiques sont en principe sphériques et fabriquées à la machine, nous trouvons l’effet inverse, c’est à dire un bord relevé.

Si vous avez le premier cas vous devez pouvoir apercevoir la tache d’Airy en effectuant une bonne mise au point et si le ciel le permet vous verrez l’étoile entourée de un ou deux anneaux, ne pas hésiter à pousser les grossissements jusqu’à 600 ou 800 fois. Si le premier test est positif on peut passer au second test, observation sur une planète, de préférence Jupiter. Choisir une nuit avec de bonnes conditions (ciel transparent et peu de turbulences ) même si il y a un peu de turbulence, il y a toujours quelques trous et si à ce moment là, il y a des détails qui vous sautent aux yeux c’est déjà prometteur! De toutes façons, là aussi pousser le grossissement au minimum à 400 fois, ne pas oublier d’effectuer une bonne collimation du système optique, la planète doit avoir des contours nets, plusieurs bandes doivent être visibles, on doit sans forcer voir des détails dans les bandes principales et bien sur voir différentes teintes de couleurs sur la planète. Si le miroir ne présente pas de défauts au niveau de sa forme d’ensemble, cela ne veut pas dire que l’ image sera bonne pour autant, il y a un autre aspect qui favorise ou non l’image, c’est celui de l’état de surface. Si sur la planète peu de détails sont visibles, que l’on n’a du mal à faire la mise au point, que la planète diffuse de la lumière autour d’elle, que l’ont à un certain manque de contraste et un manque de couleur, l’optique à un problème au niveau de l’état de surface. Les deux principaux problèmes sont le mamelonnage et le micromamelonnage. Le mammelonnage est facilement repérable à l’ appareil de Foucault ( à condition d’avoir une source lumineuse assez puissante), il se présente sous forme d’ irrégularités sur la surface du miroir.

Sur cette image le miroir présente du mammelonnage

assez important.

Ici un miroir ne présentant pas de mammelonnage,

la surface est douce et régulière.

Le micrommamelonnage est décelable en remplaçant le couteau de l’ appareil de Foucault par une lame de phase.

Le même miroir que sur la photo du haut,
le micrommamelonnage est parfaitement visible
ainsi que des rayures.

Au contraste de phase la surface reste lisse,
ici le miroir est au alentour de 5 angströms.
fleche Les différents critères:

L’opticien, lorsqu’il fabrique une optique, doit lorsqu’il fait le travail de finition respecter certains critères. Il doit amener la forme d’ensemble de l’optique à certaines valeurs tout en essayant au maximum de limiter tous les petits accidents de surfaces (rayures, mamelonnage et micromamelonnage), voici les différents critères imposés:

  • Le critère Rayleigh: c’est celui qui définit le pouvoir séparateur d’une optique.
  • Le critère de Couder: tous les rayons lumineux en provenance de toute la surface du miroir doivent converger à l’ intérieur du disque d’Airy.
  • Le critère de Françon: stipule que l’optique doit être à lambda/16 au minimum.

Pour satisfaire tous ces critères la théorie nous impose des formes à donner aux surfaces optiques. Cas pour les miroirs de télescopes Newton: Dans la plupart des cas, un miroir de télescope ne donnera pas de bonnes images au foyer si on laisse la surface optique sphérique.

  • Cas du miroir sphérique

Le problème avec un miroir sphérique c’est que tous les rayons issus de la surface optique n’arrivent pas au foyer au même endroit, ce défaut sera d’autant plus accentué que le rapport F/D du miroir sera court, c’est ce que l’on appelle l’aberration de sphéricité. Les rayons issus du bord du miroir vont arriver sur l’axe du miroir avant les rayons issus du centre du miroir, le foyer s’étale donc et il ne sera pas possible de faire la mise au point, l’image restera flou ! Pour résoudre ce problème l’opticien aura un recours, celui de déformer la surface, c’est la parabolisation. Le principe est d’évaser le miroir selon des valeurs bien précises, pour que tous les rayons lumineux en provenance de la surface optique arrivent dans un point de quelques microns de diamètre.

  • Cas d’ un miroir parabolique

La déformation sur la surface optique est ici fortement amplifiée, dans la réalité la parabole engendrée sur la surface de l’optique est de l’ordre de quelques microns. Cette courbure doit être très précise et être parfaitement régulière sur l’ensemble de la surface du miroir.

  • Cas du secondaire cassegrain:

Un secondaire cassegrain est un véritable miroir, au même titre que le miroir primaire. La précision de cette petite pièce doit être aussi bonne que le miroir principale. Son rôle est de récupérer tous les rayons lumineux du grand miroir et de multiplier le rapport F/D du primaire dans de bonnes proportions et ainsi d’avoir des rapports d’agrandissement multiplié par 4, 5 ou même 6. Là aussi si nous laissions ce miroir convexe sphérique l’image serait mauvaise au foyer du cassegrain. Le miroir primaire est corrigé pour donner de bonnes images en son foyer Newton et non au foyer du cassegrain. Là encore il va falloir déformer la surface du secondaire dans des proportions très précises, c’est ce que l’on appelle l’hyperbolisation, cette déformation est l’inverse de la parabolisation, cette fois-ci il ne s’agira pas d’évaser le miroir mais le contraire. Les déformations sont fortement amplifiées pour la compréhension.

Les principaux défauts des miroirs en reprise

L’aspect visuel du miroir :

– Nombres de rayures, (quelques rayures ne dégradent pas toujours l’image).

– Les micro rayures peuvent si elles sont trop nombreuses amener un problèmes de diffusion .

– Les écailles, peuvent amener un problème d’astigmatisme local que nous verrons plus loin dans ce chapitre.

Le gris : La présence de gris en trop grand nombre peut entraîner de la diffusion et donc une baisse de contraste, ceci peut être dut a un polissage trop rapide ou a un doucissage qui n’as pas respecté les temps de passe entre chaque grain.

gris 1 gris 1

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  • Aberration de sphéricité

spherique

para

  • Astigmatisme

L’astigmatisme (constaté assez rarement) peut être une vraie cause de problème car rendant difficile toute mise-au-point au foyer du télescope. Comme en ophtalmologie cela entraîne à la vision une déformation des courbes sur le plan focal.

astig

etoile

Le grand diamètre

Le diamètre maximum des miroirs fabriqués par SkyVision, actuellement limité à 500 mm, va augmenter en 2014 avec l’ajout d’un nouveau poste de polissage pour le travail sur des optiques allant jusqu’à 800mm.

En ciel profond, le grand diamètre (avec des optiques de qualité bien sûr) est toujours un avantage. En apportant plus de lumière, en permettant aussi de grossir plus les images. Par exemple, une nébuleuse planétaire peut être vue à 450 fois avec un 300 dès que les conditions le permettent en apportant un luxe de détails dans le plus grand confort, ce que ne pourra jamais faire un plus petit diamètre.

grand diam

En planétaire, et contrairement à certaine idée reçue, le grand diamètre (toujours de bonne qualité!) montre plus de choses qu’un plus petit diamètre, même s’il s’agit d’une lunette apochromatique ou fluorite ! L’image peut apparaître moins stable quand le ciel est turbulent mais il y a autant de détails visibles. De plus, ces détails sont vus avec nettement plus de lumière ce qui permet une meilleure perception des couleurs. Dès que le ciel se stabilise, le plus grand diamètre écrase littéralement les plus petits en laissant exprimer tout son pouvoir séparateur. Lors de la superbe opposition de Mars de 2003, un prototype SkyVision a été mis en parallèle avec une lunette en verre super ED. Si l’image était incontestablement très belle dans cette lunette, elle restait loin derrière ce que montrait notre prototype. Si nous avions besoin d’être convaincus sur les capacités d’un grand diamètre de qualité en planétaire, c’était chose faite de brillante manière ! Lors d’une autre rencontre, dans un lieu reculé de la Drôme provençale, nous avons pu confronter notre prototype à des lunettes de très haut de gamme de 150mm de diamètre. Leur champ extrêmement bien corrigé et leur superbe qualité optique en font des étalons de premier choix quand on vise l’excellence. Équipé d’un Paracorr, le SkyVision tirait bien son jeu quant à la correction en bord de champ, les étoiles restent bien ponctuelles sur toute l’image. Le test ultime a été la balade sur les dentelles du Cygne, bien sûr la vision dans la grande lunette était magnifique, mais le passage dans le SkyVision 320 collait littéralement tous les testeurs à son oculaire. Les détails des dentelles en vison directe sont absolument somptueux, on peut suivre les divers filaments et en apprécier leurs entrelacements, un moment de pur bonheur où on oublie la technique et les lois optiques. Et pourtant ce sont bien les lois optiques qui permettent à un grand miroir de très bonne qualité optique, poli avec un état de surface très doux, qui font que le grand miroir dépasse dans quasiment tous les domaines les excellentes, mais très chères, lunettes apochromatiques.

 grand diam


Problématique du grand diamètre

Pour soutenir un miroir de grande qualité, il n’est pas question d’avoir une monture approximative. Si le miroir n’est pas soutenu de manière rigoureuse, le miroir sera déformé (à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière) et ne pourra plus donner ce dont il est capable. Les Dobson SkyVision ont été étudiés dans les moindres détails pour permettre de conserver l’excellence de cette forme mais pas seulement. La structure dans son ensemble a été conçue pour un grand confort d’utilisation ainsi qu’une finition parfaite, gage de sérieux, de qualité et de plaisir des yeux.

  •  Le tube serrurier dans son entier a nécessité de longues heures de recherches et de mises au point, sa rigidité est absolument parfaite, alliée à la légèreté et la facilité de mise en place, cela donne la pièce maîtresse du télescope.
  •  La cage secondaire en elle-même est une pièce de mécanique de premier plan. La jonction des deux anneaux par des renforts en composite carbone/aluminium garantit une parfaite tenue de la collimation malgré les changements de température et d’hygrométrie que vous pourrez rencontrer. Les effets diélectriques qui peuvent avoir lieu entre les inserts alu et les tubes carbones, sont parfaitement maîtrisés grâce à l’emploi de colle isolante issue de l’industrie aéronautique.
  • Pour éviter tout effet thermique, les lames de l’araignée sont en inox poli. Le miroir secondaire est collé grâce à un procédé parfaitement maîtrisé, qui nous permet de vous en garantir la solidité mais aussi la parfaite neutralité optique. Vous pouvez aussi apprécier la haute qualité des portes oculaires, premier élément essentiel à une bonne collimation qui vous donnera les meilleures images. – Les tubes eux-mêmes sont attachés en un seul fagot, simplifiant le transport et la mise en place. Nous retrouvons là aussi le carbone que nous avons choisi pour ses très grandes qualités de rigidité et de légèreté.
  • Les fixations hautes et basses sont étudiées pour que les éléments du tube retrouvent leur place au plus près, de manière à limiter les retouches de collimation à chaque remontage.
  • La cage primaire est assemblée avec des procédés qui lui donnent un caractère monobloc apportant une très grande rigidité.
  • Cette partie essentielle contient le barillet primaire, suspendu sur des ressorts puissants ne permettant aucune liberté indésirable, il est fabriqué avec un alliage d’aluminium de première qualité.
  • Le calcul des triangles de flottaison a été fait par des logiciels spécialisés, donnant le meilleur moyen de supporter le miroir sans déformation.
  • Les tourillons de grand diamètre vous permettront des mouvements doux et précis autant manuellement qu’avec les motorisations proposées en option.

Une question importante se pose dès que l’on veut utiliser un télescope de grand diamètre, la mise en température du miroir qui permet d’obtenir le meilleur de l’optique. Il peut se passer plusieurs heures avant que l’image ne soit parfaite suivant les conditions de température de la nuit ainsi que les conditions dans lesquelles le télescope est stocké la journée. Il devient alors nécessaire d’utiliser un ventilateur qui accélère les échanges thermiques, mais pas n’importe comment. Nous avons eu l’idée d’utiliser « l’effet Coanda », bien connu des thermiciens et des spécialistes du traitement de l’air dans les locaux publics. Cet effet consiste à créer un courant d’air qui va circuler dans un volume quasi clos en suivant les angles droits des jonctions des parois sans faire de turbulence. Cela permet, dans le domaine qui nous intéresse, de pouvoir faire passer un flux d’air sur la surface du miroir de manière très laminaire pour pouvoir utiliser de façon optimale le miroir même avant la fin de sa mise en température. De plus, grâce au très bon rendement du à l’absence de turbulences de caisse, la mise en température sera très rapide. Le positionnement du ventilateur dans la caisse primaire et le réglage de son flux est déterminant, nous avons passé de nombreuses heures d’expérimentation pour permettre de trouver les bons réglages qui donnent un avantage décisif aux télescopes SkyVision dans ce domaine. Ils seront les premiers à donner le meilleur sur le terrain, nous nous devions d’optimiser tous les détails qui permettent d’exploiter toutes leurs qualités au plus tôt.

coanda

Les différentes formules optiques

fleche  Newton:

C'est un des instruments le plus répandu, sa conception est l'une des plus simples. Un miroir parabolique renvoie l'image vers l'avant du tube et le faisceau lumineux est recourbé par un petit miroir plan situé avant le foyer du primaire.

Cet instrument convient plus particulièrement à l'observation des objets du ciel profond quand les rapport F/D sont inférieurs à 5.

fleche  Cassegrain:

Le cassegrain est un instrument polyvalent, puisqu'il peut être utilisé en combinaison Newton ou cassegrain, pour passer d'une combinaison à l'autre il suffit d'intervertir les miroirs secondaires, en remplaçant le secondaire plan par un miroir convexe hyperbolique, le rapport de grandissement du miroir primaire peut être multiplié par 3, 4, 5 ou même 6 suivant les cas. On dispose à ce moment-là d'un instrument de très longue focale, particulièrement intéressant pour l'observation planétaire et pour l'imagerie haute résolution.

fleche  Chambre de Schmidt:

 Cet instrument ne peut être utilisé qu'en photographie, il peut être considéré comme un super téléobjectif. Ce sont en général des instruments très ouverts : rapport F/D 2,5 à 1,5. Ils offrent comme avantages un grand champ, une très grande finesse d'image et une grande luminosité.

fleche  Schmidt cassegrain:

Le Schmidt cassegrain est un panachage du cassegrain et de la chambre de Schmidt, le miroir primaire et le miroir secondaire sont sphérique, c'est la lame de fermeture, placée à l'avant du tube qui est corrigée pour permettre à toute la configuration d'être exempte d'aberration.

fleche  Dall kirkam:

 C'est un dérivé du cassegrain, plus simple à faire pour l'opticien, car les surfaces restent proches de la sphère. Par contre on ne peut l'utiliser qu'au foyer cassegrain. Le miroir primaire est elliptique, c'est à dire que la déformation de la surface se trouve entre la sphère et la parabole, le secondaire convexe est sphérique.

artistique

Quelques liens pour en savoir plus sur la fabrication de miroir pour télescope d'amateur :

http://www.astrosurf.com/d_bergeron/astronomie/Bibliotheque/fabrication_miroir_telescope/fabrication_miroir.htm

http://astronomie-astrophotographie.fr/Projet-2014-MIROIRS.html

Pour la théorie :

http://serge.bertorello.free.fr/math/formulaire/formoptique.html

- http://www.astrosurf.com/texereau/chapitre8.pdf