Caractérisation optique de la "SKY 90".

 

Sommaire

1. Introduction.

2. Mise en oeuvre des mesures.

3. Description et protocole des mesures effectuées.

4. Mesure 1: Au foyer et sur l'axe de la lunette.

5. Mesure 2: Au foyer et au centre du champ optique.

6. Mesure 3: Mesure hors axe, décalage de 5mm.

7. Mesure 4: Mesure de la lunette avec son réducteur/correcteur.

8. Mesure 5: Mesure de la lunette avec son réducteur/correcteur décalé de l'axe.

9. Conclusion.

10. Quelques liens.

 1/ Introduction.

La caractérisation d'une lunette astronomique consiste à mesurer sa qualité optique. Les mesures effectuées ont été faites en laboratoire avec du matériel de professionnel. A savoir; l'analyseur utilisé fonctionne sur la technique du Shack-Hartmann (technique décrite dans cet article).

Les remarques et avis exprimés dans cet article n'engagent que son auteur et en aucun cas Takahashi, Optique Unterlinden ou Imagine Optic.
 

2/ Mise en oeuvre des mesures.

La mesure est réalisée sur banc. Celui-ci est muni d'une source lumineuse calibrée, de la  lunette Sky-90, d'un miroir de référence ZYGO et d'un analyseur de surface d'onde.

Voir la figure ci-dessous.

 

Le principe est d'utiliser une source ayant une ouverture compatible avec celle du système optique à mesurer. Ici il est utilisé un LIP (Light Plateform) qui est un accessoire de l'analyseur HASO (Hartmann Analyseur de Surface d'Onde). Ces deux outils sont des produits de la société Imagine Optic. Cette source lumineuse (divergente) est placée de sorte que son point d'émission soit placé au foyer de la lunette. Le faisceau qui sort de la lunette est alors collimaté (remarque: le faisceau lumineux rentre par le porte oculaire pour ressortir par l'objectif de la lunette). Ce faisceau rencontre alors le miroir de référence et est renvoyé dans la lunette pour aller directement sur l'analyseur de surface d'onde.
 

Ci-dessous quelques photos de la lunette et du banc de mesure monté pour l'occasion. Cliquez sur l'image pour en voir une version plus grande.

3/ Description et "protocole" des mesures effectuées.

La raison de la caractérisation de cette lunette est de connaître son comportement dans les conditions d'observation. Il va donc de l'observation au foyer de la lunette à son utilisation avec son "réducteur de focale / correcteur de champ". Mais une notion importante à évaluer, est la qualité de l'image obtenue au centre du champ ainsi qu'en bords de champ. Pour quantifier la qualité de la lunette dans ces différentes conditions, plusieurs mesures ont été effectuées.

D'autre part, le logiciel d'acquisition utilisé permet de calculer, à partir de la mesure du Front d'Onde, la FTM , la réponse percusionnelle ainsi que le spot diagramme obtenu par la lunette. Dans le compte rendu des mesures présenté ci-dessous, seuls le Front d'Onde, la FTM et la réponse percusionnelle seront exposés.
Ces résultats seront présentés sous forme de 5 images.

Front d'Onde		FTM
PSF à 100%	PSF à 5%		PSF en 3D

Ci-dessous, est expliqué ce que signifie les différentes "images".

• Concernant le Front d'Onde, une explication est disponible sur l'article "L'analyse de Front d'Onde par système de Shack-Hartmann et des applications en Astronomie".

• La FTM définit d'une certaine manière la résolution et le contraste obtenu par un système optique.

• La réponse percusionnelle (PSF) est la tache focale. Par exemple, c'est l'image obtenue d'une étoile. Elle est souvent appelé Tâche d'Airy (en fait, la tache d'Airy est la tache focale obtenue par un système optique parfait, sans obstruction et à pupille ronde). Il y a trois images pour représenter la PSF. L'une représente une vue 2D représentant l'intensité de la PSF sur 100% de sa dynamique en flux. Une seconde image avec un seuillage à 5% permet de visualiser les niveaux faibles de la PSF. Enfin, une troisième image permet de visualiser une vue 3D permettant de se faire une autre idée de la PSF.

4/ Mesure 1: Au foyer et sur l'axe de la lunette.

Du fait de son utilisation, la mesure a été faite sur l'axe de la lunette. Cet axe est défini par la mécanique de la lunette. En effet, c'est la mécanique de cette lunette qui permet de monter un oculaire ou un système d'acquisition comme un APN ou une CCD.

La mesure a donné des résultats étonnants. En effet la qualité alors mesurée était quelque peu décevante. Du moins, on était en droit d'attendre de meilleurs résultat compte tenu de la réputation de cette lunette. Voici les résultats obtenus.

 

Résultats de la mesure effectuée au centre du champ mécanique.

Conclusion sur la mesure:
La mesure montre que la qualité, en terme de Front d'Onde, de cette lunette sur son axe mécanique est de lambda/10 RMS. Cela implique une petite perte de contraste observable sur la courbe de FTM ainsi que d'une réponse percusionnelle non homogène. En d'autre terme, la qualité de la lunette n'est pas extraordinaire mais n'est pas non plus déplorable.

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5/ Mesure 2: Au foyer et au centre du champ optique.

La mesure 1 a révélé que la qualité du Front d'Onde était de lambda/10 RMS. Or le matériel Takahashi bien que non réellement spécifié en terme de qualité optique bénéficie d'une bonne réputation et devrait donc avoir une qualité optique meilleure que celle mesurée.

L'idée a donc été de dire que la collimation (alignement de l'optique par rapport à l'axe mécanique de la lunette)  n'était pas optimum. Il y a donc très probablement une position pour laquelle il y a un Front d'Onde optimum. La recherche d'une meilleure position a été aisé et était assez proche de la position sur l'axe mécanique (non mesurée de manière formelle mais de l'ordre de 1mm de dépointage sur les deux axes transversaux).

La mesure 2 présente donc les résultats de cette position.
 

Résultats de la mesure effectuée au centre du champ optique.

Conclusion sur la mesure:
La mesure montre que la qualité, en terme de Front d'Onde, de cette lunette au centre de son champ optique est de lambda/35 RMS ! Cette performance est plus que satisfaisante ! Une telle qualité n'est utilisable dans la réalité que très peu de nuit, à nos latitudes, du fait de la turbulence atmosphérique omni présente.
Les résultats sur la courbe de FTM sont très significatifs. En effet, la courbe verte est la courbe théorique pour l'ouverture de l'optique analysée et la courbe rouge correspond à la mesure. La courbe mesurée est, pour ainsi dire, superposée à la courbe théorique, montrant une très bonne qualité optique. En outre cette courbe montre une fréquence de coupure (FC) de 260. Cela signifie que la la résolution du système est de 1.59" (1/(FC*F)). Or la résolution théorique de cette lunette (lambda/D) est de 1.53" !!!
Quant à la réponse percusionnelle elle nous montre une très bonne homogénéité. On aperçoit toutefois une très légère diminution de flux dans le premier anneau de la tache focale et ce en trois points à 120 ° (probablement due à une contrainte mécanique).

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6/ Mesure 3: En bords de champ.

Cette mesure est obtenue en décalant l'analyse de 5 mm sur l'axe transversal de la lunette. De cette manière il est possible de connaître la qualité de l'optique non plus au centre de son champ. L'amplitude du décalage est purement arbitraire. (Pour info c'est plus que nécessaire pour une webcam, c'est un peu moins que nécessaire pour un APN)

La mesure 3 présente donc les résultats de cette position.
 

Attention. Ici l'échelle n'est plus comparable avec les autres images des autres mesures. En effet, l'amplitude du défaut est tel que l'affichage est 2x moins important !

Résultats de la mesure effectuée en bords de champ.

Conclusion sur la mesure:
La mesure montre une dégradation notoire de la qualité optique de cette lunette. Le front d'onde alors obtenu est de lambda/3 RMS!

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7/ Mesure 4: Avec son réducteur/correcteur.

La Sky-90 possède un accessoire que l'on appelle un réducteur de focale / correcteur de champ. Comme sa désignation l'indique il permet de réduire la focale, en la ramenant à une valeur de 405 mm (F/D = 4.5) et corrige les aberrations optiques. Il faut savoir que plus une optique est ouverte (rapport F/D petit) plus la qualité de l'optique est mise à rude épreuve.

La mesure (4) de la qualité de la Sky-90 munie de son réducteur / correcteur a donné les résultats suivant:
 

Résultats de la mesure effectuée avec le réducteur / correcteur.

Conclusion sur la mesure:
La mesure montre une qualité optique très satisfaisante. Cependant il reste un peu de coma. Ce défaut engendre une légère inhomogénéité dans la tache focale. Toutefois la qualité avec cet accessoire est tout à fait honorable, comme en témoigne la courbe de FTM, compte tenu de l'ouverture de l'optique résultante.
Remarque:
 - Le tirage (distance) entre le réducteur/correcteur et l'objectif de la caméra est important. Son montage est conforme à la spécification de Takahashi (Tube optique - Bague tournante - Réducteur / Correcteur). La valeur exacte de ce tirage étant inconnue au moment de la mesure, une distance de 37 mm (voir schéma) a été utilisée. Cette distance semblait être une distance pour laquelle le FO semblait optimum.
 - La recherche de l'optimum de front d'onde derrière le Réducteur/Correcteur était délicate. Une optimisation aurait peut-être été possible.

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8/ Mesure 5: Avec son réducteur/correcteur, en bords de champ.

De manière à connaître le comportement de la lunette au bord de son champ, une mesure a été réalisée en ayant décalé de 5 mm l'analyse.

La mesure (5) de la qualité de la Sky-90 munie de son réducteur / correcteur et en bords de champ a donné les résultats suivants:
 

Résultats de la mesure effectuée avec le réducteur / correcteur et en bords de champ.

Conclusion sur la mesure:
La mesure montre une qualité optique moins bonne qu'au centre du champ. Cependant en comparaison avec la mesure faite dans les mêmes conditions (décalage de 5 mm) sans le réducteur / correcteur le front d'onde est meilleur.

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9/ Conclusion.

Qualité de la lunette Takahashi SKY-90.

Les mesures précédemment présentées nous donnent un aperçu de la qualité de cette lunette.

En reprenant quatre mesures, il est possible de conclure sur la qualité de cette lunette.

Les images dans le tableau suivant correspondent à:

1. La tache focale au centre du champ optique de la lunette.

2. La tache focale dans un champ décalé de 5mm sur la lunette.

3. La tache focale au centre du champ de la lunette avec son réducteur  / correcteur.

4. La tache focale dans un champ décalé de 5mm sur la lunette avec son réducteur  / correcteur.

1	2
3	4

La figure 1 nous montre une très belle tache focale témoignant d'une grande qualité. Attention, l'impression de trois points faibles dans le premier anneau témoignent, certes d'un défaut optique. Mais les taches focales représentées ci-dessous sont toutes seuillées à 5%. C'est à dire que les défauts visibles sont en réalité très faibles.
Selon, le même raisonnement, la figure 2 témoigne d'une bonne qualité de la lunette munie de son réducteur / correcteur de champ !

Phénomène très intéressant, la qualité optique de cette lunette, lorsque la mesure est faite en bords de champ, montre une très nette différence lors de l'utilisation de la lunette simple ou munie de son "correcteur de champ". Cet accessoire porte donc très bien son nom !!!
 

Remarques et impressions.

• Les mesures faites sur cette lunette ont révélé une bonne qualité de celle-ci. Toutefois, le protocole de mesure est perfectible. En effet, la mesure hors axe aurait été plus intéressante si elle avait été plus réaliste. C'est-à-dire, faire des mesures en différents points jusqu'à une valeur correspondant à une taille de capteur significatif. Aujourd'hui, le plus grand capteur utilisable facilement sur un tel instrument est la pellicule argentique. La surface de cette pellicule est de 24x36mm. La mesure hors-axe devrait donc faire des mesures jusqu'à un décalage de 22mm (moitié de la diagonale de la pellicule) hors-axe.
   

• D'autre part, les mesures réalisées donnent des résultats jusqu'à lambda/35. Or le miroir utilisé est un miroir de référence plan de ZYGO. Ce miroir est d'un diamètre 200mm. Et il est donné pour être à lambda/20 sur l'ensemble de sa pupille. Certes, l'utilisation de ce miroir n'est faite que sur un diamètre de 90mm (ouverture de la SKY-90) ce qui laisse envisager une qualité supérieur sur une portion du miroir, mais ce postulat n'est pas une certitude. Cela sous entend que la mesure peut être limitée par la qualité du miroir. Toutefois, un test effectué laisse penser que le miroir ne limite pas la mesure puisque celle-ci a été faite sur deux zones différentes avec un résultat équivalent !
   

• Une autre mesure aurait pu être utile. Celle de la courbure de champ. Plus difficile à mettre en oeuvre mais réalisable, cette mesure permettrait de savoir si l'ensemble de l'image, du champ stellaire visé, se focalise dans un plan ou bien sur une surface sphérique. Dans le cas de présence de courbure de champ, cela signifie que la focalisation dans le plan du CCD (qui est censé être parfaitement plan) ne serait pas la même en tout les points de la surface du capteur.
   

• Pour une raison idiote, le réglage de l'alignement optique de cette lunette n'a pas été réalisé. Le configuration de mesure l'aurait permis puisque le shack-hartmann utilisé permet de faire des mesures à 20 Hz ! Mais le problème était de ne pas avoir la clef nécessaire au réglage du doublet apochromatique.
   

•  La lunette qui a été mesurée a quelque peu voyagé ne serait-ce que le transport Colmar-Paris. Puis quelques voyages en voiture. Le réglage réalisé par Optique Unterlinden semble convenable et ne semble pas avoir bougé ! Encore un bon point pour cette petite lunette.

Une prochaine "campagne de mesure" pourrait avoir lieu ultérieurement sur cette lunette en respectant les remarques précédentes.

10/ Quelques liens.

Optique Unterlinden: Revendeur exclusif du matériel Takahashi en France.
Imagine Optic: Fabricant d'analyser de surface d'onde.
L'Institut d'Optique: Formation d'ingénieur en optique.