TRACE OPTIQUE

Le but du tracé optique est de placer correctement les éléments optiques (miroirs primaire, secondaire et oculaires), afin de pouvoir faire la mise au point et de conférer les propriétés optiques souhaitées à l'instrument.

Le premier choix à faire est certainement celui du champ maxi d’observation souhaité et donc de l’oculaire de plus longue focale utilisé. Ce sera très certainement l’oculaire le plus lourd, bien souvent le plus cher et aussi de plus grand coulant.

Il va déterminer le diamètre interne de la cage du secondaire, le poids de l’oculaire le plus lourd et le diamètre du porte oculaire (2’’ ou 1’’1/4). Cela conditionnera grandement l’équilibrage du tube optique d’une part et la rigidité nécessaire de la cage secondaire et de l’équerre supportant le porte-oculaire. Pour faire simple, il va falloir être raisonnable quant au poids maxi : pas de binoculaire, pas de Paracorr et limiter le poids de cet oculaire.

D’expérience, j’aime pouvoir observer à faible grossissement avec un champ d’environ 1°. Le télescope n’étant pas motorisé, c’est aussi confortable pour le suivi manuel des objets.

Ce choix est limité par :

-          Le rapport F/D du primaire et la coma (déformation des étoiles en bord de champ qui est d’autant plus prononcée que le champ est grand et le rapport F/D petit). S’il on veut éviter le coût et le poids d’un Paracorr, permettant de corriger la coma, rester vers 1° et un F/D5 semble raisonnable.

-          Le poids et le prix des oculaires de grand champ. Par exemple un nagler 31mm de chez Televue offre certes un champ de 1,4° sur ce télescope mais pèse déjà 1kg et coûte neuf dans les 645 euros. La pupille de sortie de 6mm reste acceptable selon la littérature.

-          La pupille de sortie. Il est généralement conseillé de rester vers 5 à 6mm maxi. Si j’ai tout compris, au-delà, la pupille de notre œil va diaphragmer la vision à l’oculaire et on aura payé un grand champ pour rien.

A ce stade, il convient d’ouvrir une parenthèse concernant le choix des oculaires. Il apparaît, outre sa qualité réputée, que la marque Televue rend accessible en ligne toutes les caractéristiques de ses oculaires, et tout particulièrement celle du positionnement du plan focal de l’oculaire, ce qui facilite grandement le travail de conception optique du télescope. C’est probablement pour cette raison que cette marque à la faveur des constructeurs amateurs.

Les données de Televue sont accessibles ici :

Un lien pour les caractéristiques propres à l’oculaire dont le poids (colonne « weight » en onces ou livres (donc à convertir en kg) et la position du plan focal, colonne « field stop », étrangement mais agréablement en mm).

http://www.televue.com/engine/TV3b_page.asp?id=214

            Un lien pour le calcul, entre autre, du champ et de la pupille de sortie (fonction du télescope et de l’oculaire).

http://www.televue.com/engine/TV3b_page.asp?id=212&plain=TRUE

un autre lien faisant les mêmes calculs mais en français et pour n’importe quelle marque d’oculaire (par contre, il faut ici manuellement entrer le champ propre à l’oculaire):

http://www.takahashi-europe.com/support/softwares/calculvisuel/calvisu10.htm

Après maintes réflexions j’arrête mon choix sur un Panotic 27mm au coulant 2 pouces, pesant 550 grammes et offrant un champ pour cet instrument de 0,98°. Je finirai par le trouver d’occasion à 240 euros. Cependant le choisirai d’avoir une marge de manœuvre, permettant de monter, un jour peut-être, des oculaires offrant un champ de vision de 1,5°.

A ce stade, je conseille vivement de réaliser le tracé optique (ou plutôt des tracés), à l’échelle sur papier ou mieux, si disponible, sur logiciel de dessin. Ca permet de vraiment sentir et comprendre ce qui ce passe et donc de savoir à tout moment lors de la construction, quels sont les impacts des écarts par rapport au plan d’origine. Car ils ne manqueront pas d’arriver : soit que de merveilleuses idées apparaissent en dernière minute, une fois la perceuse à la main (rarement bonnes), soit plutôt que votre capacité de fabrication vous oblige à modifier les merveilleuses idées jetées sur le plan d’origine (rarement réalisables) et tout simplement parce qu’il faut une tolérance de réalisation de l’ordre du mm pour une fabrication manuelle.

Bien sûr, de très bons logiciels libres en lignes peuvent aider, voire suffire et dans tous les cas permettre de vérifier le tracé. Je n’en ai pour ma part pas utilisé et donc ne peut fournir de lien internet.

Le tracé optique (voir figure ci-contre) commence par le miroir primaire de profil (en blanc). Un bête rectangle de longueur correspondant à son diamètre et la hauteur à son épaisseur. Vous pouvez négliger totalement la courbure parabolique de la face supérieure.

On trace le cône de lumière (jaune) correspondant au plus grand champs (1,5°) et partant des bords du miroir vers le ciel (si vous faites partie des shadoks d’en haut, ce devrait être vers le haut de votre feuille !). Attention, chaque ligne gauche et droite délimitant ce cône fait un angle correspondant à un demi-champ maxi (0.75°) par rapport à la verticale et partant respectivement du bord gauche et droit du dessin de votre miroir. Ainsi, le sommet du cône, qui pointe vers les shadoks d’en bas sur votre dessin, aura bien un angle correspondant au champ maxi. Je dis ça parce que l’angle est tellement petit que vous avez peu de chance de faire figurer le sommet du cône de lumière sur votre feuille de papier. Ce cône ouvert vers le ciel, symbolise les limites dans lesquelles la cage du secondaire, le porte-oculaire en position rétractée et surtout le passe-filtre ne doivent pas pénétrer sous peine d’augmenter l’obstruction pour l’observation à grand champ.

En toute logique, c’est le passe-filtre qui a le plus de chance de pénétrer dans cette zone interdite. Ce n’est pas très grave, mais c’est dommage ; autant concevoir bien les choses.

En conséquence plus haute sera la cage du secondaire, plus grand sera son diamètre intérieur afin de ne pas pénétrer ce cône.

En toute logique, c’est le passe-filtre qui a le plus de chance de pénétrer dans cette zone interdite. Ce n’est pas très grave, mais c’est dommage ; autant concevoir bien les choses.

En conséquence plus haute sera la cage du secondaire, plus grand sera son diamètre intérieur afin de ne pas pénétrer ce cône.

Ensuite, tracer un plan parallèle à la surface réfléchissante du miroir à distance de la longueur focale du primaire (dans mon cas 1780mm, plan F horizontal sur le dessin). C’est à cette distance du primaire et à cette distance seulement que les images seront nettes, si toutefois la vue de l’observateur est parfaite. Pour un observateur myope ou hypermétrope ce plan est légèrement décalé.

Il convient maintenant de choisir parmi plusieurs positions possibles la hauteur du secondaire par rapport au primaire. Le secondaire permet de dévier les rayons lumineux et les faire sortir du cône de lumière incident sur le côté de l’instrument (à droite sur le dessin ci-dessus) afin que l’observateur n’ait pas à mettre sa tête dans l’axe optique, ce qui provoquerait pour le coup une belle obstruction.

Il ramène donc  le plan focal à  hauteur un peu plus humaine (1475mm) en le repliant à 90° de celui que nous avons tracé précédemment. Le plan focal ainsi dévié (plan F vertical sur le dessin) se retrouve à une distance du secondaire égale à la focale du primaire moins la hauteur du secondaire par rapport au primaire (305mm=1780-1475), toutes distances prises à partir de l’axe optique, soit l’axe de symétrie du miroir primaire. C’est là que le plan focal de chaque oculaire devra se trouver lors la mise au point afin d’avoir une image nette. Autrement dit, la mise au point revient à faire coïncider le plan focal du miroir avec le plan focal de l’oculaire.

Garder toujours ça à l’esprit, pendant la conception mais aussi pendant la construction. En effet on peut toujours faire un télescope destiné au visuel avec une obstruction un peu trop grande, un champ de pleine lumière un peu trop petit et même un peu d’aléa quant à la tenue de la collimation (même si c’est déjà un peu plus grave), il permettra toujours de faire de belles observations. PAR CONTRE, SI ON NE PEUT PAS FAIRE LA MISE AU POINT, LE SERRURIER VOIRE LA PARTIE HAUTE DU TELESCOPE EST A REFAIRE.

Les principes généraux liés au placement du secondaire sont les suivants ; plus on place haut le secondaire et donc la cage :

-plus le champ de pleine lumière est grand (c’est un avantage pour l’observation mais c’est assez secondaire car l’œil y est peu sensible si l’on respecte un juste milieu),

-plus les tubes du serrurier sont longs donc difficiles à ranger,

-plus le centre de gravité du tube remonte, ce qui impose un grand rayon de tourillons donc difficiles à ranger,

-plus il faut monter à l’escabeau pour accéder à l’oculaire quand on pointe au zénith,

-plus la cage doit être large pour éviter de rentrer dans le cône de pleine lumière (inconvénient pour le rangement),

-ET DANS LE MEME TEMPS, PLUS IL FAUT RAPPROCHER LE PLAN FOCAL DE L’AXE OPTIQUE, CAR LA SOMME DES DISTANCES PRIMAIRE/SECONDAIRE + SECONDAIRE/PLAN FOCAL DOIT TOUJOURS ETRE EGALE A LA FOCALE DU PRIMAIRE (1475+305=1780).

Il y a donc une limite à ne pas dépasser à partir de laquelle le plan focal rentre dans le cône de lumière. Mais en dessous tout est théoriquement possible.

En pratique, deux critères principaux permettent le choix :

-          Faire une cage pas trop large pour rentrer dans la valise,

-          Avoir une hauteur d’observation ergonomique au zénith.

Ca permet d’avoir un premier positionnement du secondaire et de sa cage, comme base de départ.

Une fois fait, on vérifie que le champ de pleine lumière n’est pas déconnant (disons entre 10 et 20mm au diamètre sur le plan focal). Pour cela, on trace un rayon lumineux qui passe par l’extrémité gauche du miroir primaire et qui rejoint l’extrémité gauche du secondaire (en vert), puis on prolonge ce trait jusqu’au plan focal (pour faire simple le plan F horizontal suffit).

On fait de même du côté droit des miroirs. Ces deux limites gauches et droites des miroirs délimitent dans le plan focal du primaire ce qu’on appelle communément le champ de pleine lumière (ici 16mm). Sa valeur fait couler à peu près autant d’encre que celle de l’obstruction et peut aussi être l’objet de discussions sans fin, car elle résulte de compromis. Pour du visuel, on se contentera de vérifier que la valeur obtenue est dans une « bonne moyenne » par rapport aux instruments des autres.

A ce stade du tracé et si l’on a intuitivement placé le secondaire avec son milieu géométrique dans l’axe optique du primaire, on s’aperçoit d’une légère dissymétrie entre les rayons gauches et droits du tracé du champ de pleine lumière (CPL). Ceci est dû au décalage en hauteur des extrémités gauches et droites du secondaire, du fait de son inclinaison à 45°. Afin d’optimiser la collecte de votre entonnoir à photons en évitant un vignetage, il convient de décaler le secondaire en suivant le plan à 45° de sa surface réfléchissante, en direction du porte-oculaire et vers le haut.

On peut le faire par le tracé, par tâtonnements successifs, en retraçant à chaque déplacement du secondaire, les rayons qui joignent les bords des deux miroirs ce jusqu’à ce que le CPL soit symétrique par rapport à l’axe optique. C’est sans doute la seule entorse au tracé que je conseillerais, car ça va beaucoup plus vite d’appliquer la formule suivante:

Décalage sur le plan du miroir secondaire : 1,414 x (petit axe du secondaire) / (4 x F/D).

Si on fait un petit télescope avec un petit miroir secondaire et une longue focale, la valeur de décalage sera négligeable. Dans mon cas, elle fait déjà : 5mm.

Les explications plus détaillées sur le « shifting » du miroir secondaire sont là :

http://www.astrosurf.com/altaz/collimation.htm

Voir la rubrique « 2.4 positionnement du secondaire ».

Enfin, même si c’est moins important, on peut finir le tracé en repliant le cône de lumière renvoyé par le miroir primaire vers le secondaire,  en respectant la symétrie des angles comme indiqué en rose (50,5°). On remarque que l’on peut retracer le CPL dans le plan F vertical. Si le tracé a été bien fait, on retrouve la même valeur que dans le plan F horizontal. Mais c’est pas ça qui nous intéresse.

Ce qui nous intéresse, c’est le cône de lumière qui va vers l’oculaire et de tracer le porte-oculaire en position rétractée. Il faut éviter que le PO rentre dans ce cône de lumière sous peine de diaphragmer notre beau champ d’étoiles. Dès le premier tracé, cela monte tout l’intérêt d’un porte-oculaire en 2 pouces.