Le coronographe est un instrument un peu mythique, car rare et de formule optique, au premier abord, assez compliquée. Voyant les réalisations de certains amateurs et m’étant au préalable bien documenté sur la chose, j’ai décidé de me lancer moi aussi dans l’aventure. Je réaliserais mon coronographe et pourrais ainsi profiter quand bon me semblerait des protubérances.

La formule optique du coronographe 

Le coronographe a été inventé en 1930 par Bernard Lyot, travaillant à l’époque à l’observatoire du Pic du Midi. Ce brillant ingénieur comprit que pour observer les protubérances, il ne suffisait pas de placer un cache masquant le Soleil. Le principal problème vient du fait que l’on observe les protubérances à proximité immédiate du Soleil, ce dernier étant environ 1 000 000 de fois plus brillant. Il fallait donc pour cette observation un instrument débarrassé de toute lumière parasite. Or, le comportement ondulatoire de la lumière provoque de la diffraction sur le bord de l’objectif. Cette lumière diffractée ne suit plus le chemin géométrique de la lumière et vient donc perturber l’observation, car elle n’est plus arrêtée par le cache masquant le soleil.

 Le coup de génie de Bernard Lyot a été de placer le cache masquant le soleil sur une lentille convergente (que l’on nommera O2). Mais cette lentille forme une image de l’objectif O1 que l’on retrouve un peu plus loin. Toute la lumière diffractée par le bord de O1 doit nécessairement passer par le bord de l’image de l’objectif. Il suffit alors de placer à cet endroit un diaphragme, dit diaphragme de Lyot, pour éliminer toute la lumière diffractée par l’objectif. Donc le diamètre réellement utilisé est plus petit que le diamètre de l’objectif, typiquement environ 75 à 80%.

 On peut noter que le cache masquant le soleil est d’une conception particulière. Il est, la plupart du temps, réalisé en deux parties : un cône et un disque occulteur. Le cône, avec un angle au sommet de 90°, a un rôle d’évacuation de chaleur. Pour cela, il doit être bien poli afin que la plus grande partie des rayonnements soit réfléchie vers l’intérieur du tube et non absorbée. En général, sa taille est très légèrement inférieure à la taille de l’image du soleil. Derrière le cône, on trouve un disque occulteur qui a un diamètre très précisément égal au diamètre de l’image du soleil. Comme le diamètre du Soleil varie en cours d’année, on réalise en général plusieurs disques occulteurs (typiquement 3 à 6) et l’on en changera en fonction de la date.

  Derrière le diaphragme, on place alors un objectif (O3) qui transfère l’image du soleil à l’extérieur de l’instrument.

  Le coronographe ainsi décrit pourrait très bien marcher dans l’espace, mais sur terre, il y a l’atmosphère qui diffuse largement la lumière du soleil. Pour réduire cet effet, on place dans l’instrument, un filtre à bande passante étroite, isolant la lumière émise par les protubérances, le filtre H-alpha. La longueur d’onde centrale de la bande passante est de 656,27 nm (nanomètre), c’est donc un rouge profond. Dans cette longueur d’onde, le rapport de luminosité entre les protubérances et le soleil, est nettement plus faible. Toutes sortes de bandes passantes ont été utilisées sur les coronographes. Depuis les bandes très étroites (0,3 nm) jusqu’aux très larges (50 voir 100nm). Lorsque la bande passante devient plus étroite, l’instrument offre alors un contraste élevé sur un ciel moyen. Par contre, sur un ciel de haute montagne, même les bandes passantes les plus larges, offriront de très beaux spectacles. Il faut aussi savoir que lorsque l’instrument se dépointe, on observe directement la surface du soleil. Il faut donc faire très attention. Avec les bandes passantes étroites, il y a peu de risque (autre que l’éblouissement), tandis que sur les bandes passantes plus larges, le risque devient réel. Il faut savoir aussi que les bandes passantes très étroites (- de 1 nm) sont difficiles à exploiter car les filtres doivent alors être thermostatés (la variation de température provoque un déplacement de la longueur d’onde centrale). Le prix du filtre dépend bien évidemment de la bande passante, plus elle est étroite, plus le filtre est cher.

Il faut aussi faire attention aux conditions d’utilisation du filtre. La longueur d’onde centrale de la bande passante de ce filtre dépend de l’angle avec lequel les rayons attaquent la surface du filtre. Il faut donc le placer à un endroit où le faisceau de lumière est aussi parallèle que possible. Cela est généralement fait en dédoublant l’objectif O3, qui devient donc O’3 et O’’3. Le filtre est placé ensuite entre ces deux objectifs. On peut noter que si O’3 et O’’3 ont la même focale, la taille du soleil au foyer final, est sensiblement la même qu’au foyer de l’objectif (l’influence de O2 étant très faible sur le grandissement). Si on veut changer l’échelle de l’image finale, on peut prendre des focales différentes, alors la taille de l’image variera dans le rapport focale de O’’3 sur focale de O’3.

Nous voyons donc que l’instrument fonctionne sur une seule longueur d’onde (instrument monochromatique). Cela permet d’utiliser comme objectif, une lentille simple, non achromatique, mais qui doit alors être asphérisée. En réduisant le nombre de surfaces sur l’objectif (par rapport à un doublet) on réduit les causes de diffusion de lumière par les poussières ou les défauts de polissage. On note aussi que l’objectif doit être d’un très bon niveau de polissage (super poli ou polissage basse rugosité). En général, la réalisation d’ un objectif de coronographe est hors de portée des amateurs.

On peut noter que l’instrument conçu par Bernard Lyot était fait pour l’observation de la couronne solaire dans différentes longueurs d’onde. Il était donc équipé de différents occulteurs (une lentille simple donne des images du soleil de tailles différentes en fonction de la longueur d’onde) et des différents filtres. Les amateurs ont tendance à n’utiliser qu’une facette de cet instrument, l’observation des protubérances. Cette observation a le mérite d’être la plus spectaculaire et ne nécessite pas un ciel de haute montagne. Donc à proprement parler, l’instrument ne devrait pas se nommer « coronographe », mais plutôt « protubérantoscope ».

 Formule des lentilles minces 

Je suis désolé pour le paragraphe qui suit, mais on est bien obligé de faire un peu de calcul optique lorsque l’on veut concevoir un coronographe. Donc voici le minimum à utiliser pour la conception.

  S : sommet (centre) de la lentille
A : objet
A’ : image de l’objet
F’ : foyer image de la lentille

  La formule des lentilles minces permet de calculer la position d’une image lorsque l’on connaît la position de l’objet par rapport à la lentille ainsi que les caractéristiques de la lentille. Elle s’exprime généralement sous la forme suivante :

ce qui donne:

Il ne faut pas oublier que SA SA’ et SF’ sont des quantités algébriques, c’est à dire quelles peuvent être positives ou négatives. Généralement, sur les schémas, on choisit la lumière venant de la gauche et le sens vers la droite comme le sens +, tandis que vers la gauche donne un sens moins. Dans notre exemple SA (vers la gauche) est négatif, tandis SA’ et SF’ sont des quantités positives (vers la droite).

Une formule simple permet aussi de calculer le grandissement (noté gamma) :

L’image est gamma fois plus grande que l’objet. Les quantités sont toujours algébriques. Si gamma est négatif, cela veut dire que l’image est à l’envers par rapport à l’objet.

  L’application des ces formules permet de savoir où placer le diaphragme (formule des lentilles minces) et quelle taille lui donner (calcul du grandissement).

Ma conception 

Ma conception ressemble beaucoup à celles d’autres amateurs ayant fabriqué leur coronographe. L’idée est de partir d’une lunette astronomique du commerce. La mienne, est une lunette 90/1000 de fabrication chinoise vendue sous la marque Vivitar. L’objectif est un doublet achromatique. Nous sommes donc loin de la formule optique « pure » qui préconise une lentille simple asphérisée. La dégradation du contraste est contrebalancée par un coût de fabrication très nettement plus faible. Il est préférable d’avoir une lunette de focale assez longue (1m ou plus). Vous éviterez ainsi de faire de la miniature lors de la réalisation du cône et des disques occulteurs. Ce qui importe, c’est aussi le rapport F/D de l’instrument qui va directement influencer l’échauffement du cône. F/D 10 est un minimum, mais 12 ou 15 serait préférable.

  Le diamètre du diaphragme de l’instrument est calculé de façon à ce qu’il élimine environ le dernier cm sur le bord de l’objectif. Le diamètre réellement utilisé dans l’instrument est de 70mm.

  De part sa formule optique, le tube du coronographe est nettement plus long que la lunette d’origine. Il faut donc le rallonger. J’ai trouvé chez un récupérateur de métaux un tube en alu de 80mm de diamètre extérieur et de 1,5 mm d’épaisseur. Ce tube fixé au bout du tube de la lunette (de 90 mm de diamètre) va abriter toutes les pièces optiques et mécaniques du coronographe. Les deux morceaux de tubes coulissent l’un dans l’autre (grâce à deux pièces en aluminium tournées) et se chevauchent d’environ 25 cm. Cela permet d’être sûr que les axes des deux tubes soient confondus (c’est très important pour un coronographe).

  Les différentes pièces optiques sont montées sur des pièces en alu tournées, tandis que 3 tiges filetées traversent toutes les pièces mécaniques. Les écrous de part et d’autre de chaque pièce métallique permettent le réglage fin de chaque élément du coronographe.

Le cône et le disque occulteur sont maintenus sur une vis dont la tête est collée sur la lentille O2. Le défaut de cette méthode se situe dans la largeur de la tête de vis (bien que les vis BTR sont celles qui ont la tête la moins large).

Un tracé des faisceaux optiques permet de voir que la lumière passe à environ 1mm de la tête de vis. Il va donc falloir faire très attention lors du collage. Le cône est en inox et sa surface a été polie afin de refléchir au mieux la chaleur. La lentille O2 est une lentille plan-convexe en BK7 faisant 37 mm de diamètre et 128 mm de focale. Elle est achetée chez Astam pour 12,6€ port compris. Il faut faire attention, car toutes les focales ne sont pas utilisables, si la focale est trop longue, l’image de l’objectif (donc le diaphragme) peut se retrouver au delà de O’3 (cas impossible). Vous pouvez prendre comme base, d’avoir la focale de O2 comprise entre les 2/3 et les ¾ de O’3.

  Le diaphragme réglable de 2 à 22mm, lui aussi monté dans une rondelle en alu, est un modèle à 12 lamelles (acheté 5€ à la foire photo de Bièvre). Au bout du tube de rallonge se trouve une pièce mécanique plus importante, le corps central, qui a pour rôle de maintenir les objectifs O’3 et O’’3, mais aussi le filtre H-alpha ainsi que le porte oculaire. Tout l’ensemble mécanique se glisse dans le tube, et y est fixé par trois vis. Les objectifs O’3 et O’’3 sont les objectifs d’une paire de jumelle de 50mm de diamètre. Ce sont donc des doublets achromatiques ayant une focale de 200mm. La paire de jumelle hors d’usage (sans oculaire) a été achetée 5€ à la foire photo de Bièvre.

  Le filtre a été choisi avec une bande passante très étroite (1nm). Il porte la référence 656FS02-25 de chez Lot-Oriel. Cela offre un double avantage : un gain sur le contraste des images, plus particulièrement par ciel moyen, et surtout une sécurité pour l’observateur. Avec une bande passante si étroite, l’observateur n’est plus en danger lors du dépointage de l’instrument. Il a été commandé en diamètre 25mm chez Lot-Oriel pour une somme de 470€. Il s’agit bien là, de la plus grosse dépense pour le coronographe, mais tout repose sur lui.

Le porte oculaire d’origine n’a pas été utilisé, car sa grande course nécessiterait des objectifs O’3 et O’’3 de focale égale à 300 mm ou plus, ce que je n’avais pas. J’ai donc utilisé un porte oculaire 2’’ de type crayford originaire des pays de l’Est. Ce porte oculaire avec sa course faible (35mm), reste compatible avec un objectif O’’3 de 200 mm de focale. Des essais, en ne montant que O’’3 devant le porte oculaire, ont permis de déterminer la meilleure position du doublet afin de pouvoir faire la mise au point avec des oculaires et instruments variés (oculaires divers, boîtier photo, webcam…). Le coronographe sera utilisé avec un oculaire Plossl de 32mm de focale. Cet oculaire donne un champ d’environ 1°. Pour pouvoir grossir beaucoup (visuel ou photo), il est nécessaire de pouvoir décentrer l’oculaire. Comme mon porte oculaire est en coulant 2 pouces (50,8 mm), il est très facile de fabriquer un adaptateur 2 pouces pour les oculaires 31,75 dans lequel l’oculaire est décentré d’une valeur égale au rayon du Soleil au foyer, soit environ 5mm. En tournant cette pièce, on peut faire le tour du soleil.

Ma réalisation 

Lorsque j’ai récupéré la lunette, je me suis aperçu que le barillet de l’objectif (et donc l’objectif aussi) était monté de travers. L’objectif était penché d’environ 2°. N’ayant aucune vis de collimation j’ai donc essayé de démonter le barillet. Après avoir démonté les lentilles de l’objectif, j’ai essayé de dévisser le barillet, mais rien n’est venu. J’ai donc supposé qu’il était collé. J’ai essayé de l’ôter en chauffant au sèche cheveux (en espérant réduire la puissance de la colle), mais rien n’y a fait. J’ai fini par le séparer du tube en frappant au marteau, avec l’intermédiaire d’une cale en bois. Et il y avait bien un filetage ! Mais à l’extrémité du tube, le filetage très fin était recouvert d’une bonne couche de peinture… Le barillet ne pouvait donc s’y visser. En usine, le technicien a donc forcé jusqu'à ce que cela veuille bien se mettre en place, mais malheureusement de travers (les joies de l’optique made in china…). Ayant abîmé les restes de filetage lors de l’opération, je me suis vu contraint de faire sauter le filetage sur le barillet (au tour) puis j’ai collé le barillet sur le tube à l'Araldite. C’est maintenant totalement indémontable, mais c’est dans l’axe. Au passage, j’ai pu constater une nette amélioration de la qualité d’image.

Toutes les pièces de tour ont été réalisées par un petit artisan situé non loin de chez moi. Je me suis contenté de faire les perçages et taraudages. La lentille O2 comme le diaphragme sont montés dans des épaulements faits dans des rondelles d’alu de 77mm de diamètre et de 5mm d’épaisseur. Un jeu de 0,1mm a été laissé entre les rondelles et le tube dans lequel elles vont se monter. La lentille comme le diaphragme sont maintenus par trois rondelles et trois vis de 4 mm. Le corps principal fait le même diamètre que les grandes rondelles. Des vis sans tête  permettent de fixer les objectifs O’3 et O’’3 par leur tranche. Le filtre H-alpha est fixé de la même manière que la lentille O2 ou le diaphragme.

  Le seul point un peu délicat, est le collage de la vis sur la lentille O2. Pour s’assurer que la vis soit bien droite, un léger coup de tour sur la tête permet de préparer une surface de collage propre. Il faut faire attention au choix de la colle. L’araldite standard doit  avoir du mal à tenir la chaleur, j’ai donc choisi d’utiliser une colle à base de silicones (ce type de colle supporte très bien la chaleur). Un gabarit en plastique permet de centrer précisément la vis sur la lentille pour le collage. Il faut faire attention à la quantité de colle, car tout débordement passerait vite dans le faisceau optique.

  Une fois tout fabriqué, il ne faut pas tout monter n’importe comment. Les différents éléments doivent être réglés. Cette étape est un peu délicate et necéssite d’avoir bien compris le fonctionnement du coronographe. De plus, il existe un ordre particulier pour positionner les différents éléments du coronographe, afin d’aboutir à un réglage nominal complet. Ci jointe, la « procédure de réglage » de mon coronographe.

Procédure de réglage 

- Monter l’objectif O’’3 dans le corps central puis y fixer le porte oculaire, le renvoi coudé et un oculaire.
- Viser un objet situé à l’infini et bloquer la mise au point.
- Monter l’objectif O’3, le diaphragme, l’ensemble cône+O2 (utilisez le disque occulteur le plus grand que vous avez).
- Translater la lentille O2 de façon à voir le disque occulteur net dans l’oculaire. Un pied à coulisse permet, en mesurant le long des trois tiges, d’obtenir un bon parallélisme des différents éléments.
- Régler la position et la taille du diaphragme, soit par le calcul soit sur un banc optique (en ayant mis un objet lumineux simulant l’objectif et en plaçant le diaphragme où l’image est nette).
- Monter l’ensemble dans le tube de la lunette et viser un objet à l’infini.
- Faire coulisser les deux tubes, de façon à ce que l’image de l’objet apparaisse nette en même temps que le disque occulteur.
- Démonter le porte oculaire et l’objectif O’’3
- Monter le filtre H-alpha, l’objectif O’’3 et le porte oculaire.
- Pointer le soleil.
- Si en observant vous vous apercevez que la mise au point n’est pas la même pour le disque occulteur et pour les protubérances, il faut faire coulisser les deux tubes afin d’arriver à ce résultat.

Utilisation 

On constate rapidement que la qualité du ciel est prépondérante. Un ciel bien bleu avec une bonne transparence donne de très belles images (même en plaine). Par contre, le moindre léger voile de nuage d’altitude fait baisser d’une manière considérable le contraste des images.

  Les poussières qui sont sur l’objectif sont aussi une source importante de lumière diffusée. Il faut donc prendre soin de le nettoyer régulièrement. Je démonte de temps en temps les lentilles et je nettoie les 4 faces. A chaque séance d’observation, j’ai toujours sur moi une bombe d’air comprimé qui me permet de souffler sur l’objectif, pour en chasser les poussières.

  Si on utilise un filtre avec une bande passante de plus de 1 nm, il est préférable d’avoir un filtre mylar devant l’instrument pour le pointage. Il suffit d’enlever ce filtre lorsque le soleil est caché derrière le disque occulteur.

  Pour voir au mieux les protubérances, il faut utiliser le disque occulteur qui a un diamètre juste supérieur à celui du Soleil. Si celui-ci est bien ajusté, l’instrument ne supporte pas le dépointage. Il est donc nécessaire d’avoir une monture avec un entraînement de qualité et de soigner la mise en station. De plus une monture rigide est un gage de stabilité et ce d’autant plus que le tube du coronographe est plutôt long.

  Lors de mes premières observations, je me suis aperçu que le cône chauffait très fort. J’ai donc percé deux trous dans le tube à proximité du cône. La circulation d’air ne semble pas provoquer de hausse de  la turbulence. J’observe en permanence avec les deux trous ouverts.

Résultats   

  La première observation est un véritable choc car l’image est contrastée et présente un très bon piqué. Il est étonnant d’obtenir de telles images avec des moyens assez simples. Passée la première observation (et les derniers réglages fins), on constate que la turbulence est très forte durant la journée, mais qu’on y trouve de brefs moments de calme qui permettent alors d’observer les plus fins détails des protubérances.

Conclusions 

Finalement, j’ai trouvé la conception et la construction plutôt aisées et motivantes. Lorsque vient le moment de la première image, il m’est venu une pensée : pourquoi avoir attendu autant d’années ?. Vous qui, comme moi, hésitez depuis longtemps, lancez-vous dans l’aventure, vous ne le regretterez pas. Cette réalisation, comme celles qui sont indiquées en références, permettent de défricher le terrain afin de construire de mieux en mieux. Si vous avez une question sur n’importe quel point concernant le coronographe, n’hésitez pas, contactez-moi.

J’espère, par cet article, avoir démontré que la réalisation d’un coronographe d’amateur est à la portée de tous. Il n’y a pas besoin de sommes d’argent astronomiques, ni de grosses compétences en optique ou en mécanique. Il suffit d’être motivé et en quelques temps vous voilà prêt à observer le soleil sous l’une de ses facettes les plus spectaculaires.

Références: 

Je tiens particulierement à remercier les personnes suivantes pour leurs précieuses pages (web, mais de livre aussi) qui m'ont beaucoup aidé dans cette réalisation.