Principe de fonctionnement du coronographe - A coronagraph: how does it works?

Le coronographe est un appareil destiné à reproduire artificiellement une éclipse totale de Soleil. La première idée qui pourrait venir à l'esprit pour ce genre d'instrument serait de cacher simplement l'image du soleil donnée par une lunette grace à un écran. Cette idée avait fait l'objet de nombreuses tentatives au siècle dernier, toutes soldées par des échecs. La lumière diffusée par l'objectif ne permettait pas l'observation des protubérances solaires (100000 fois moins brillantes que la surface du Soleil). L'apport majeur de Lyot a été de comprendre que l'on pouvait arréter cette lumière diffusée en plaçant un diaphragme à l'endroit approprié, et en utilisant des verres de meilleure qualité, avec un meilleur poli.

A coronagraph is an instrument which produces artificially a total solar eclipse . The first idea that come for this kind of instrument is to hide with a screen the image of the Sun disk given by a telescope. This idea had been tested at the end of XIX century, but with no success. The scattered light form the objective and the atmosphere didn't allow to observe solar prominences (100000 times less bright than the Sun surface). The astronomer Bernard Lyot made capital improvements by understanding that the scattered light could be stopped with proper diaphragms, and by using high quality glass.

Mais pourquoi un instrument spécial ?- Why do I need a specific instrument ?

En effet, on pourrait penser qu'il suffit d'une simple lunette et que l'on aurait juste à cacher le soleil au foyer ou bien a se servir d'un disque occulteur placé devant la lunette, comme pour une eclipse de Soleil et, pourquoi pas, observer la haute couronne. Malheureusement, comme on le voit sur le graphique, le ciel "hors eclipse" est tres brillant car il diffuse la lumiere solaire, et cache totalement la haute couronne dont la lumiere est tres faible. Donc il est impossible d'observer la couronne depuis la Terre, et le coronographe, appareil créé pour cela, ne permettra d'observer que les protubérances basses.

In fact we could think that a simple telescope is sufficient: we would just have to hide the sun at focal point or to use an occulting disk before the telescope, just like for a solar eclipse, and why not observe the high corona. Unfortunately, as we see on this graphic, the "normal" sky is very intense because of the light scattered by the atmosphere that hide completely the high corona (very dim light). So it's impossible to observe the corona from Earth, and the coronagraph will only allow us to observe the low prominences.

Le doublet achromatique ou la lentille simple forme l'image du Soleil à son foyer, sur le cône occulteur qui couvre exactement l'image du disque. Seuls subsistent les rayons lumineux provenant de la couronne solaire. La lentille O2 donne de l'image du Soleil occulté une image virtuelle, avancée de quelques mm, et donne du doublet achromatique (ou objectif O1) une image réelle sur le diaphragme. Ce dernier permet de se débarasser de la lumière parasite diffusée par la monture de l'objectif O1. Il est parfois souhaitable, surtout pour des coronographes de fort diamètre, de placer en outre un écran de quelques mm de diamètre, au centre du diaphragme, pour arréter les rayons lumineux provenant de réflexions sur les faces de l'objectif O1. Cet ensemble de diaphragmes est appelé Diaphragme de Lyot.

The achromatic doublet or the single lens gives the image of the sun (at its focus), on the occulting cone that have the exact size of the sun image. It only remains the ray of light from the corona. The O2 lens gives from the occulted sun image a virtual image, some mm in front of the cone. It also gives a real image of the O1 doublet, situated after O2, on the diaphragm. This diaphragm get rid of the scattered light coming from the edge of the O1 lens (diffracted light). It's also possible (in particular for high diameter coronagraph) to put also a little circular screen in the middle of the diaphragm in order to stop rays reflected on the faces of O1. This overall diaphragm is called Lyot Diaphragm.

L'objectif O3 (formé par deux doublets) donne de l'image virtuelle du disque occulté préalablement formée par O2 une image réelle observable à l'oculaire ou reçue sur la pellicule d'un appareil photographique. Entre les deux éléments constituant l'objectif O3, les rayons lumineux sont parallèles, ce qui permet d'utiliser un filtre monochromatique H-alpha dans les meilleures conditions. La bande passante de ce filtre peut varier dans de grandes proportions (cela depend beaucoup du site d'observation!), du simple filtre rouge Wratten (100 nm de B.P.) au filtre de type Daystar (~0.06 nm) en passant par un filtre interférentiel classique non chauffé (~10nm), le prix de ces éléments allant de quelques dizaines de francs pour le premier à quelques dizaines de milliers de francs pour le second! Nous avons opté pour la troisième solution, entre 500 et 1200FF. Voir les remarques importantes à ce propos un peu plus loin. The O3 lens (composed of two doublets) takes the virtual image given by O2 (image of the occulted Sun, in front of the occulting cone) and gives a real image that will be observed with the eyepiece, or on a camera. Between the two lenses that compose O3, the rays are parallel to permit the use of a monochromatic filter in the best conditions. The bandwith of the filter can vary in great proportions (depending on the observing site!), from the Wratten red filter (100nm bandwidth) to interferencial filter (~10nm) or to thermoregulated Daystar filter (~0.06nm). The prices of this filters vary from some dollars to several 1000 dollars; we choose the interferencial filters (50 to 100 - 120 dollars). See some important facts about the filters at the bottom of the page.

Formules pratiques

Voyons maintenant comment fonctionne le coronographe et surtout comment choisir et placer les elements optiques les uns par rapport aux autres. Les concepts utilisées sont très simples: on les trouve dans tout livre d'optique géometrique. Nous allons illustrer la théorie avec une application numérique; on suppose donc que l'on a les composants optiques suivants: Objectif O1: focale F=1000mm Objectif O2: focale f=200mm Objectifs O3 et O3': focale identique f3=300mm

Practical formulae

Let's see more closely how function a coronagraph and how to choose and place the different optical parts. The concepts used are very simple: one can find it in a simple optical geometry book. We will illustrate the theory with a numericalapplication. We suppose we got the following optical components: O1 lens: focal length F=1000mm O2 lens: focal length f=200mm O3 and O3' lenses: same focal length F3=300mm

L'image du Soleil formée par l'objectif O1 doit tomber sur le disque occulteur; le Soleil étant à l'infini, il faut que le disque occulteur soit à la distance focale de l'objectif O1, soit une distance F de 1000mm entre le disque et O1 dans notre cas. On se fixe la distance A entre le disque occulteur et O2 égale à A=30mm par example. Cette distance est laissée au choix du concepteur et peut éventuellemnt varier dans de faibles proportions. L'image de l'objectif O1 fournie par O2, et qui devra en partie être bloquée par le diaphragme, sera une image réelle formée en arrière de O2 à une distance B telle que:

Il faudra donc placer le diaphragme à 248mm en arrière de la lentille O2.

The image of the sun given by O1 lens must form on the occulting disk; the Sun is at infinite distance, so the occulting disk must be placed at the focal length of O1 lens (distance of 1000mm in our case between O1 lens and the occulting disk). We then decide to choose the distance A between the occulting disk and O2 lens: let's choose A=30mm for example. This distance can be choose and can change a little. The image of the O1 lens given by O2 (that will partly be stopped by the diaphragm) will be a real image formed after O2 at a distance B with:

One will have to place the diaphragm 248mm after the O2 lens.

O2 a une distance focale de 200mm; L'image du soleil occulté (donc du disque) que va fournir O2 sera une image virtuelle, située en avant de O2 à une distance x du centre de O2 telle que:

(le signe négatif signifie que l'image virtuelle est bien en avant de O2; pour la suite des calculs, on prendra x=35.3mm en valeur absolue.)

O2 has a focal length of 200mm; the image of the occulted sun given by O2 will be a virtual image, located in front of O2 at a distance x from the center of O2, with x:

(the negative value just means that the image is in front of O2; for the other calculation we will take the absolute value x=35.3)

L'objectif O3 va recueillir cette image virtuelle fournie par O2 et la "transporter" afin qu'elle passe dans le filtre H-alpha en lumière parallèle. Il faut pour cela que la distance entre l'image virtuelle et O3 soit égale à la distance focale de O3, soit 300mm. On a donc: C = f3 - |x| = 300 - 35.3 = 264.7 (mm) L'objectif O3' recoit de la lumière parallèle, il peut donc être à priori n'importe où derrière le filtre et O3. Cependant, on s'arrangera pour que O3, le filtre et O3' soient assez rapprochés les uns des autres. L'image finale du soleil occulté donnée par le coronographe sera alors située à F'3 = 300mm en arrière de O3'. A noter que la focale résultante du systeme est égale à F'=F.(F'3/F3). On a donc interet a prendre F'3=F3 afin de ne generer aucun grandissement ou rapetissement de l'image. Les objectifs O3 et O3' ne servent qu'à transporter l'image du soleil occulté. Il découle du résultat précédent que la taille de l'image de sortie variera aussi en fonction du rapport F'3/F3. Si celui-ci vaut 1, l'image du soleil en sortie a la meme taille que celle au foyer de O1. The O3 doublet lens will "take" this virtual image given by O2 and make a parallel beam to go through the H-alpha filter. To do so, the distance between the virtual image and O3 must equals the focal length of O3 (300mm in our case). Hence: C = f3 - |x| = 300 - 35.3 = 264.7 (mm) The O3' lens receive a parallel beam and so can be located at an indiferent place after the filter. Nevertheless, we will place O3, the filter and O3' close from one an other. The final image of the occulted Sun given by the coronagraph will then be located at a distance F'3=300mm after O3' lens. We must note that the final focal length of the system will be F'=F.(F'3/F3). Therefore one must take F'3=F3 in order to don't enlarge or shorten the fnal image size. O3 and O3' lenses are just here to "carry" the image of the occulted sun. If the ratio F'3/F3 equals 1 then the output image size from the coronagraph is the same as the image at O1 focus.


Ci dessus: le montage détaillé de la lentille O2 avec tous les éléments du dispositif d'occultation. (la vue est en "eclaté", bien sur; le dispositif une fois monté)
Above: the detailled mounting of O2 lens with all the elements of the occulting device.

Disposition de O2:
Disposition de O2: La lentille O2 peut être soit soit bi-convexe, soit plan-convexe, soit en ménisque. On aura interêt à la choisir dans ces deux dernières catégories, et si possible, avec des rayons de courbure pas trop prononcés. Ceci dit, un doute peut subsister à propos de son orientation: nous avons mis la face convexe à l'avant afin d'éviter que la face plane (cas d'une plan-convexe) ou la face concave (cas d'un menisque) ne renvoie un reflet vers l'objectif O1. La principale raison étant aussi que les rayons les plus inclinés émergeant de O2 vers le diaphragme attaquent la face de sortie sous un angle moindre, diminuant ainsi les aberrations. A noter que c'est aussi la disposition adoptée pour le coro du Pic du Midi.

About the 02 lens:

The O2 lens can be bi-convex, plano-convex, menisque. One should choose between the two last, and with low curvature radius. We have placed the convex face on the front to avoid the plane or concave face to reflect light to O1 lens. The main reason is also that the most tilted rays from O2 to the diaphragm leave the output face with a lower angle (to disminish aberrations). This is also the design adopted for Pic du Midi coronagraph.

Quel diamètre pour le disque occulteur?Quel diamètre pour le disque occulteur? Bien entendu, le diamètre 'd' du disque occulteur va dépendre de la focale de l'objectif O1, mais aussi du diamètre apparent du Soleil:

d=(diametre du soleil en secondes d'arc x F )/206265 avec d = le diametre recherché F = la focale de l'objectif (ici 1000) et 206265 representant le nombre de secondes d'arc dans 1 radian,soit ((180 x 3600) / Pi) En outre, il faut tenir compte du fait que le diametre apparent ( en secondes d'arc) du Soleil varie au cours de l'année: le 4 Juillet: 1891" (minimum) le 4 Avril: 1923" le 1er Janvier: 1955" (maximum) Pour notre second coronographe de focale 1000mm, on a donc prevu une dizaine de rondelles dont les diamètres vont en gros de 9 à 9.5mm. On peut bien sur en prevoir moins, et il vaut mieux sur-occulter l'image en prenant un diamètre plus élevé.

Which diameter for the occulting disk?

Which diameter for the occulting disk? Of course the diameter 'd' of the occulting disk will depend on the focal length of O1 lens, but also on the apparent diameter of the Sun.

d=(diameter of the Sun in arc seconds x F)/206265 with d = the diameter of occulting disks F = the O1 focal length (here 1000mm) And 206265 a constant that represent the number of arcsec in one radian (180 x 3600 /Pi) Moreover, one must take in account that the apparent diameter of the Sun varies during the year: July 4th: 1891" (minimum) April 4th: 1923" January 1th: 1955" (maximum)

La feuille de calcul Afin d'aider au calcul des éléments optiques du coronographe, nous avons créé une feuille de calcul aux formats OpenOffice ou Excel et français et en anglais (pour d'autres formats de tableurs, nous contacter); Cette feuille permet de calculer les emplacements des divers éléments optiques, en fournissant en entrée: La focale de l'objectif O1 La focale de la lentille O2 La distance A = O2-Disque occulteur La focale des objectifs O3 Elle fournit en sortie: Les dimensions mini et maxi des disques occulteurs La distance B = O2-Diaphragme La valeur intermédiaire x La distance C = O2-O3 ... et indique la faisabilité du coronographe en fournissant quelques conseils d'optimisation en fonction des résultats obtenus. En bref, il s'agit d'une aide au calcul, qui permet "d'explorer" facilement les diverses possibilités et combinaisons optiques, et évite de s'engager dans de mauvaises solutions (puisques certaines combinaisons optiques conduisent à des impossibilités). Donc n'hésitez pas à en user et en abuser ;-) et à nous rapporter vos résultats (ou les éventuelles erreurs constatées... après tout pourquoi pas :-)

The calculation sheet:

In order to help for the calculation of the optical design of the coronagraph, we created an OpenOffice or Excel sheet (english and french languages). This sheet allow to place the optical elements; you must enter O1and O2 focal length A distance (O2-occulting disk) O3 focal length You obtain as an output: The min and max dimensions of the occulting disks The distance B = O2-diaphragm The value x The distance C between O2 an O3 ... it also indicates the feasability of the coronagraph with some optimisation tips. So it helps the calulation and permit to "explore" easily the different possibilities and optical combinations, and avoid the mistakes (as some optical combinations are impossible to use).


Choisissez votre format :

To download the sheet (OpenOffice3.0 or Excel 97), click on the above image

Autres moyens de calculs
Vous pouvez également utiliser les autres moyens de calcul que nous avons mis en oeuvre:

  • Le programme CORO.EXE, un exécutable en VisualBasic réalisant le calcul de l'optique, ainsi que des calculs d'éphémérides solaires
  • Le formulaire HTML, mis en ligne plus récemment, et permettant un calcul immédiat depuis le navigateur (il fonctionne aussi hors ligne, si vous le sauvegardez sur votre disque).

Other calculation means
You can also use two other tools we made more recently:

  • The freeware CORO.EXE, a Visul Basic program that helps the optical calculation (graphical display) and gives solar ephemeris (graphics of Sun orientation)
  • The new HTML form, that permit an immediate calculation directly from the internet browser! It also works outline if you save the web page on your disk.

A propos du filtre (IMPORTANT)

Une précision déja: on observe dans la raie de l'hydrogene H-alpha (656.3nm): c'est dans cette longueur d'onde rouge que les protus seront le plus contrastées. Son emploi est indispensable dans le cas d'un ciel de plaine, cependant, il peut y avoir plusieurs "écoles" quand au type de filtre à utiliser; voici une petite discussion et avis personnels:

  • Il est totalement inutile de prendre un filtre très resséré, de moins de 1 Angstrom de bande passante, car alors, les protubérances apparaitront sans coronographe...et finiront par disparaitre si le filtre est trop serré. De plus ces filtres sont très chers (plus de 10000F...) et s'usent assez rapidement (quelques années parfois). N'oublions pas que l'objectif visé est de faire un instrument efficace et peu cher.
  • Nous avons d'abord utilisé un filtre interférentiel de 10nm (100Ä), ce qui semble un très bon choix d'apres nos observations. Il est bien moins cher (aux alentours de 1000F). On peut en trouver pour 500F aux USA. (Edmund Scientifics par exemple http://www.edcsi.com ). ATTENTION CEPENDANT!! Un échange récent (Aout 2001) avec David M Groski (USA) a révélé que le filtre 10nm d'Edmund n'est pas de même qualité que le 10nm de Melles-Griot par exemple: il apparait que même si la largeur de bande est la meme (environ 10nm) pour les deux filtres à 90% de transmission, le filtre d'Edmund a en revanche une plus grande bande passante à 20% (en d'autres termes, les "ailes" de la gaussienne sont plus étalées). Ceci a pour effet de diminuer le contraste, et selon les tests réalisés par David (confirmés ultérieurement par Ramiro Hernandez), le 10nm d'Edmund n'a pas donné de résultats. Donc attention!...
  • Pierre Bourge et Pascal Mazerole recommandent dans leur livre un filtre compris entre 30Ä et 5 Ä, c'est mieux, mais c'est plus cher et un peu plus difficile à trouver. A noter cependant que les résultats seront meilleurs avec un filtre plus resserré si l'on observe a travers une atmosphère épaisse (pollution,...). A ce propos, nous sommes recemment passés à un filtre de 1nm de chez LOT-ORIEL: le contraste est bien meilleur et il est possible d'observer avec un ciel plus épais, voire très légerement voilé (conclusions identiques d'après David Groski); la contrepartie est un prix plus élevé: autour de 300 $US.
  • Plusieurs amateurs, dont Ramiro Hernandez, ont utilisé avec succès un filtre Andover de 1nm (12.5 mm de Diam.) coutant environ 180 US$: cela semble un bon choix.
  • Enfin, on peut signaler que J-M Roques avait fabriqué en 1960 un coronographe muni d'un simple filtre rouge Wratten n°70 (environ 100nm de B.P., et autour de 100F!...) avec des résultats tout à fait bons (voir l'Astronomie, 1961 p.67-72), solution de loin la plus économique... nous n'avons jamais testé cette solution: elle requiert certainement un ciel excellent et un instrument parfait.

Pour finir cette discussion, un avertissement important: Il faut rappeler qu'il est INDISPENSABLE de prendre toutes les precautions en observant le Soleil, meme avec un filtre! Selon le filtre employé, il se peut qu'un décentrement brutal du soleil résulte en une image tres brillante. Il est indispensable de prevoir un filtre neutre assez puissant pour permettre un centrage du soleil adequat... et faisant office de protection immediate en cas de probleme! Il est aussi indispensable que le coronographe soit placé sur une monture bien motorisée, stable, solide avec mouvements lents a la raquette. Si vous ne possedez pas une telle monture, sa construction ou son achat est un préalable indispensable! Enfin, pour les observations, mieux vaut etre chez soi au calme que dans un club avec une ribambelle de curieux tournant autour de l'instrument; Une alternative pour éviter tout risque est d'observer avec une webcam a la place de l'oculaire.

About the filter (IMPORTANT)

First, a precision: we observe in H-alpha hydrogen band (656.3nm): it's in this red band that the prominences will have the best contrast. It's use is obligatory on a city/country sky; however, here is a little talk and personnal advice:

  • It's useless to buy a very short FWHM filter (less than 1 Angstrom bandwidth), because the prominences will appear without coronagraph...and can even disappearif the filter is too selective. Moreover, this kind of filter is very expensive (several 1000 dollars) and can loose its properties (sometimes in some years). Don´t forget we want a cheap and effective instrument.
  • We used first a 10nm (100Ang) interferential filter, which seems to be a good choice, from the result we obtained. It's also much more cheaper. One can buy it from 50 to 120 dollars in the USA. But BE CAREFUL!! From a recent talk (August 2001) with David M Groski, it appears that the 10nm filter from Edmund has not the same quality than our 10nm filter from Melle-Griot for example: even if the bandwith is the same for the two filters at 90% transmittance (i.e. 10nm), the Edmund filter has a bigger bandwith at 20% transmittance (in other words, the "wings" of the gaussian are greater). This results is a lower contrast, and according to David tests (also confirmed by Ramiro Hernandez), the 10nm from Edmund didn't give results. So beware!...
  • Pierre Bourge and Pascal Mazerolle recommend in their book a filter from 30Ang to 5Ang. It's better but more expensive and slightly more difficult to find. However the result are better with this kind of filter if you observe through a dense or polluted atmosphere (cities). We recently try a 1nm (10Ang) filter from LOT-ORIEL: the contrast is much more better and it's possible to observe with a more dense sky (even with a little cirrus). The price is about 300 US$ but the result is very good.
  • Various amateur (like Ramiro Hernandez), have used a 1nm Andover filter (Diam 12.5mm), for 180 US$, which seems a good choice.
  • Finally, one can tell about J-M Roques, who built in 1960 a coronagraph with a sole Wratten 70 red filter (about 100nm bandwidth... some dollars), with very good results (l'Astronomie, 1961 p.67-72). This solution is from far the most economic... we however never tested this solution: it's certainly requires a very good instrument and a perfect sky.

As a conclusion, a very important fact: one must never forget that it's ESSENTIAL to take all the precautions to observe the Sun, even with a filter! Depending on the filter used, if the Sun becomes suddenly uncentered, the image can be very bright! It's indispensable to use a neutral filter of the proper absorption to permit an effective centering of the Sun... and an effective protective shield in case of problem! It's also essential for the coronagraph to be placed on a very good motorized, stable mount. If you don't have such a mount, it's a obligated preliminary to build or buy one. Also, for the observations, it's advisable to do it quietly at home, rather than in a club with many people turning round the instrument; an alternative to avoid all hazard is to use a webcam instead of the eyepiece.

Voici quelques liens ou noms à "explorer" pour l'achat de filtres interferentiels; preférez une solution "testée et aprouvée" par un amateur (voir les liens):

Here are some links to "explore" preliminary to buy interferential filters; prefer a "tested and aproved" solution from an amateur (see links):

http://www.sover.net/~maierpho/p0000049.htm (tres bon marche ! mais non testé).

http://www.andcorp.com (Andover Corporation; 1nm testé avec succès)

http://www.corion.com

http://www.optosigma.com

Voir aussi auprès de Lot-Oriel et Melles-Griot:

Lot-Oriel - Z.A.E. des Glaizes - 4, Allée des Garays - 91120 Palaiseau / 01.69.19.49.49(Tel) / 01.69.19.49.30(Fax)

Melles-Griot - Parc du Mérantais - 1, Rue Guynemer - 78114 Magny-les-Hameaux / 01.30.12.06.80(Tel) / 01.30.60.08.51(Fax)

Et si vous trouvez des contact, n'hesitez pas à les faire connaitre!

Pages suivantes:
Notre prototype de coronographe / Our first prototype
suivi de
Notre seconde version definitive / Our second last version

 

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