Polystrehl

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Voici quelques éléments de conception optique d'après une discussion sur un forum allemand et le site de Vladimir Sacek : https://www.telescope-optics.net/miscellaneous_optics.htm#near

 

Le polystrehl est une méthode d'évaluation et de conception un peu plus fine que le calage sur les longueurs d'onde classique fournies par les lampes spectrales.

Le contrôle reste basé sur cette méthode. (calage FC, avec les mesures sur les raies de Fraunhöfer F,C,e,d ou D,g ou g' ... ou autres plus adaptées à la photographie comme faisait AiryLab.

 

Grandes Lignes

Vla propose une méthode basée sur la pondération par sensibilité de la vision ou, plus généralement celle pondérée des photosites du capteur.

Sur un jeu de longueur d'onde bien réparties, 30nm d'écart semble admis, voir plus loin la réponse d'expert de Gerd Düring (Zeiss)

La sensibilité scotopique manque.

Elle est indiquée ici https://www.telescope-optics.net/eye_spectral_response.htm#Sensitivity

 

Cette démarche est intéressante mais incomplète, elle ne tient pas compte d'une pondération de la résolution/niveau de contraste de l’œil suivant la luminosité et la longueur d'onde.

 

Quelques notions complémentaires :

1) capacité de l’œil pour les niveaux de contraste suivant l'illumination

2) différence de 6 à 8 facteurs de résolution entre le vert et le bleu

3) erreur de focalisation de l’œil, imposant une correction suivant le diamètre pupillaire, celle-ci est apportée par l'oculaire

4) concept de focalisation (most of energy +/- σ au sens loi gaussienne : 68%), à savoir qu'un résidu de 2-3% ne gêne pas la vision (limite de contraste)

 

Diagramme 3D de synthèse des concepts énumérés ci-dessus

 

En photopique :

Comme précisé au 4) la défocalisation de +/- 0.25 dpt correspond plutôt à 68%.

Une défocalisation de +/- 0.5 dpt permet de déterminer de manière plus sûre la plage proche de la limite en photopique comme étant 515-700nm en sensibilité lumière du jour.

Avec comme limite supérieure de 3 écarts +/- 0.75 soit limite haute 500nm (~raie Oiii bleu clair du ciel)

Il est indispensable de croiser avec l'illuminant pour savoir si le résidu est gênant à 2-3%

 

En mésopique, cas des forts grossissements avec illumination basse en nombre de trolands (<< 1000 ou 900cd/m² )

 

Plutôt donc vers 100 trolands et moins, le comportement de l’œil change avec l'activation partielle (désinhibition chimique) des bâtonnets (ils rajoutent un capteur agrégé peu précis mais sensible ayant un pic à 510nm)

Au moins trois effets :

1) changement de la perception coloré (Bezold-Brücke) impactant la largeur de bande colorée

2) décalage de la sensitivité vers le bleu-vert (510nm), augmentation de la sensitivité dans les bleus comparé aux rouges et orange-rouge

3) perte importante des niveaux de contraste et écrasement de la courbe de résolution

 

En scotopique, la résolution de l’œil chute drastiquement, d'un facteur de plus d'une dizaine sur le pic de sensitivité. La sensitivité, elle, monte énormément.

L’œil humain est à même de percevoir les images sur un ratio de plus de 1 milliard sur la luminosité.

La baisse de précision de l’œil permet de supporter une forte déconcentration du disque de concentration optique sur la plage utile des longueurs d'ondes.

Avec une tolérance dépassant donc 5 - 5.5 fois le disque d'Airy sans que l’œil ne voit la différence.

 

Un capteur photo CCD, par contre, est très concentré pour le photosites bleus. Le ratio est de 1 sur 4 pour la matrice de Bayer contre 1 sur 15 pour l’œil.

Et surtout avec le fait que les cônes bleus ne participent pas au contraste du système LMS.

 

Il reste des études en cours quantifiant le rôle des bâtonnets (510nm) qui par contre semble avoir une faible participation dans le mode mésopique pour le niveau de contraste

 

Modifié 9 avril 2023 par lyl

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Maintenant une partie de la discussion du forum allemand

 

Citation

 

Salut Andreas,

"Pour autant que je puisse en juger jusqu'à présent, le polystrehl est une forme différente de la valeur RC."
Ce n'est pas vrai du tout. Par souci de clarté, j'écris celle-ci sous l'autre :
1) Valeur RC : Calculée à partir des distances de coupe de trois couleurs. Étant donné que le foyer arrière change à travers l'ouverture, le foyer arrière de la zone de 70 %, qui sépare les 50 % intérieurs de la zone de l'extérieur, est généralement utilisé.
Cela signifie :
- La sphérochromie n'est pas incluse
- Il n'y a pas de pondération par rapport à la courbe de sensibilité de l'œil humain
- Il n'y a pas d'indication sur le comportement de l'erreur de couleur entre les trois points de mesure.
Il s'agit donc d'une valeur dont la signification est extrêmement limitée. La bonne chose à ce sujet est qu'il est facile à mesurer - les mesures de distance focale sont faciles à effectuer.

B) Polystrehl : Ici, l'appareil est focalisé sur la puissance maximale (erreur de front d'onde efficace polychromatique pondérée minimale). Ensuite, on calcule pour ce point focal la quantité d'énergie provenant des différentes couleurs dans le disque de diffraction. Les composantes énergétiques de chaque couleur sont pondérées par la courbe de sensibilité normalisée de l'œil humain : relatif
380 0.000039 480 0.139020 570 0.952000 680 0.017000
390 0.000120 490 0.208020 580 0.870000 690 0.008210
400 0.000396 500 0.323000 590 0.757000 700 0.004102
410 0.001210 507 0.444310 600 0.631000 710 0.002091
420 0.004000 510 0.503000 610 0.503000 720 0.001047
430 0.011600 520 0.710000 620 0.381000 730 0.000520
440 0.023000 530 0,862000 630 0.265000 740 0.000249
450 0.038000 540 0.954000 640 0.175000 750 0.000120
460 0.060000 550 0.994950 650 0.107000 760 0.000060
470 0.090980 555 1.000000 660 0.061000 770 0,000030
480 0.139020 560 0.995000 670 0.032000

Vous avez donc beaucoup plus d'informations dans cette valeur : elle inclut toujours toute l'ouverture, y compris l'aberration sphérique et aussi la sphérochromie. Donc une valeur très significative.
L'inconvénient est qu'il est difficile à mesurer. Afin d'obtenir un résultat significatif, vous devez mesurer à de nombreuses longueurs d'onde, ce qui prend beaucoup de temps. Trois ou quatre longueurs d'onde ne suffisent pas.

Ciel clair
Tassilo

 

 

Les réponses de G.Düring, disciple du Dr Pudenz (Université F.Schiller Jena), GD a conçu le remarquable doublet APM 152/1200, très équilibré avant qu'on ne puisse utiliser les gros diamètres en S-FPL53, maintenant en voie d'être abandonné suite aux difficultés d'obtention de ce verre en gros diamètres.

En commentaire, je dirais que c'est une bonne évaluation générique pour du photo-visuel sur les instruments de bon diamètre, il semble que cela convienne à partir de 100mm. La TAL 100-R version semi-apo étant la référence pour le diamètre le plus petit en terme de correction chromatique.

Les facteurs du Pr Düring sont pondérée par les éclairements et le contraste de l’œil en fonction de la longueur d'onde.

Modifié 9 avril 2023 par lyl

[Astropleiades 17]

Bonjour Lyl, 

 

Merci pour cette présentation. 

En définitive, qu'apporte le "calcul" du polystrehl ? 

Si j'ai bien compris, les mesures effectuées nous donnent des informations intéressantes mais la technique présente des limites ? 

J'ai du mal à saisir la plus-value de cette méthode... 

 

Astro-amicalement, 

Jean-Baptiste 

[AstroRudi 54]

Bonjour,

 

sans être en mesure de suivre le débat théorique jusqu'au bout, je suis cependant aussi assez réservé au sujet du polystrehl. J'ai voulu répondre déjà cet après-midi, mais je ne savais pas comment répondre (il faut être membre d'un club au sein de ce forum ?).

 

J'étais très actif sur le forum astro-foren.de, appelé aussi le "Rohr-Forum" en Allemagne, au moins durant les derniers dix années avant sa fin abrupte et je peux vous assurer que Wolfgang Rohr (un praticien de tests optiques très réputé) s'est livré des discussions et disputes très virulentes avec (le théoréticien) Gerd Düring sur l'utilité du polystrehl. Dans ce contexte W. Rohr utilisait à multiples reprises le terme "Un-sinn" ="Non-sense".

 

Malheureusement, je ne peux plus sortir ces disputes, car le propriétaire du forum a brutalement expédié W. Rohr, après avoir "tué" une grande partie des contributions en faisant une grave erreur lors d'une mise à jour du forum. Le forum a finalement été fermé, car il était inutilisable.

 

Mais vous pouvez trouver encore  une partie des contributions de W. Rohr (qu'il a sauvées), ici: http://r2.astro-foren.com/index.php/de/

Modifié 9 avril 2023 par AstroRudi

[lyl 4 483]

Le 09/04/2023 à 21:18, Astropleiades a dit :

En définitive, qu'apporte le "calcul" du polystrehl ? 

Ma réponse est en présentation

Le 09/04/2023 à 11:45, lyl a dit :

Le polystrehl est une méthode d'évaluation et de conception un peu plus fine que le calage sur les longueurs d'onde classique fournies par les lampes spectrales.

Le contrôle reste basé sur cette méthode. (calage FC, avec les mesures sur les raies de Fraunhöfer F,C,e,d ou D,g ou g' ... ou autres plus adaptées à la photographie comme faisait AiryLab.

 

Le calcul initial se fait à l'ancienne avec la/les règles FC ou F'C'

et on affine avec le polystrehl ou les variantes du polystrehl suivant l'usage désiré de l'instrument

A savoir quand même que plus le diamètre augmente moins l'on va obtenir de ratio grossissement / diamètre élevé car c'est la turbulence atmosphérique qui va limiter.

L'on va glisser du mésopique au photopique en observation lunaire et planétaire.

 

Un exemple en cours qui obtient un polystrehl photopique de 0.81, limite diffraction limited, donc censé optimiser l'utilisation du diamètre en visuel. (correction chromatique)

Basé sur un bloc vintage de LF7 récupéré aux US. Le LF7 n'est plus fabriqué, c'est un verre légèrement anormal (stabilisateur à l'antimoine ou zinc) qui était difficile à couler et n'est plus conforme à la réforme ECO.

Donc polystrehl de 0.81 et réglée en utilisation mixte.

Sur le diagramme, les spots en champ profond sont très bons : l'observation des nébuleuses sur la plage H-beta-Oiii-Sodium-Halpha est prometteuse. La vision précise des comètes serait plutôt bonne en visuel.

 

D170 f/16.5 à faire en replié Schaer ou simili dobson par exemple. Champ très plat et pas de correcteur de coma à gérer. Il faut toutefois un bon miroir plan pour le rebond. L'excellente correction de l'astigmatisme permet au montage replié d'être performant.

La photo directe au foyer est possible, avec probablement un filtre anti-fringe nécessaire voire jaune clair pour du lunaire. Rien n'empêche non plus de mettre un réducteur de focale x0.7 en 2" pour l'observation en CP à f/11.55, genre avec un oculaire hypérion 36mm et apprécier luminosité et piqué en champ profond. (x55). Le clou du spectacle serait probablement vers x80 à x100 pour le cœur d'Orion ou des couleurs sur M57.

 

C'est la formule russe BAK2-LF7, comportement semi-apo dans le bleu/violet, utilisée pour la TAL 100-R en 100f10 qui est prolongée à 170mm.

 

En planétaire, le pic de strehl est mobile du vert à l'orange-rouge avec une excellente largeur de bande vers le bleu (halo bleu contrôlé).

 

On peut espérer des grossissements à 1.3D voire 1.5D comme sur la TAL 100mm soit 220-255x efficace, lumineux et avec des oculaires simples.

L'expérience est différente, plus riche en couleur.

=>

En jouant avec la mise au point, on peut régler à un strehl théorique minimal de 0.88 dans le vert (qui est certes moins utile dans le vert) mais surtout conserver le bleu clair bien corrigé et le bleu H-beta suffisamment (au-dessus du strehl de 0.4) pour éviter la gêne de contraste du halo.

Sur Mars, c'est potentiellement un régal comme le fait la TAL 100R, donnant un rendu des blancs très peu dégradé (la calotte glaciaire est bien tranchée) et montrant les nuages d'altitude, sans filtre !

 

A suivre, je prépare aussi une BAK1-SF2, plus dédiée lunaire et CP. basée aussi sur un méga bloc SF2 récupéré en même temps.

Modifié 15 avril 2023 par lyl

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Le 09/04/2023 à 21:52, AstroRudi a dit :

je peux vous assurer que Wolfgang Rohr (un praticien de tests optiques très réputé) s'est livré des discussions et disputes très virulentes avec (le théoréticien) Gerd Düring sur l'utilité du polystrehl. Dans ce contexte W. Rohr utilisait à multiples reprises le terme "Un-sinn" ="Non-sense".

 

Pour dire un mot de cette polémique (a postériori inutile que celle de astro-foren.de), il faut savoir que l'utilisation des polystrehls et non pas du polystrehl est simplement la formalisation plus pratique pour la conception par ray-tracing qui a remplacé progressivement le calcul algébrique (la résolution des équations d'aberrations).

Je pense que l'argumentation bloquait sur le point d'imposer une unique équation.

 

Ce que je connais de W.Rohr, c'est qu'il avait constitué une bonne bibliothèque, je m'en suis largement servie pour comprendre. Il était prolixe mais de là à être très "réputé", je réserverais ce terme à ceux qui ont eux des succès commerciaux pas à ceux qui les ont analysés. Je pense qu'il était renommé car il savait effectuer les réglages à postériori des mesures.

 

Retour aux polystrehls : le concept d'adaptation au comportement de l’œil fut largement utilisé depuis 1925 et, le livre de Conrady a fortement influencé la conception des achromats (entre autres) au Japon. C'était plus du tâtonnement que de la formalisation suite à synthèse d'éléments physiologiques.

Dans "lunettes et telescopes" de Danjon et Couder paru un peu plus tard, on parle aussi de cette adaptation, c'était devenu généralité. On peut dire également que des tâtonnements sont apparus antérieurement, on rencontre des réflexions d'Albert Koenig vers 1903, traduit en 1920 sur les méthodes des ateliers d'optique allemande. A noter que lorsqu'on parle d'astro-photographie à cette époque : c'est du N&B, il n'y a pas de pigments dans les émulsions, ce qui relève de beaucoup le calage (astro en 434-486nm et générique en 434 - 588nm !). Les émulsions couleurs donneront naissance à la norme "apo" moderne.

 

Ci-dessous les longueurs d'onde de référence.

Ce passage est fondateur. Et Conrady, qui a un prestige considérable a cette époque : https://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Eugen_Conrady#Applied_Optics

reprend les grandes lignes d'une autre façon en parlant de "minimum focus" ou calage chromatique.

Citation

Applied Optics and Optical Design, (Oxford UP, 1929). The book became a classic—widely used and referred to—and although its computational methods have been totally superseded by modern computer "ray-tracing" lens-design programs, its theoretical and mathematical insights remain valid and the book continues in print today.

De plus, au temps de Conrady, c'est la photographie qui avait la primeur de l'investissement et de la rentabilité commerciale. Probablement que la plupart des gens se disaient : qui peut le plus peu le moins. Raisonnement somme toute très valable jusqu'à des instruments de 80-100mm de diamètre à prix abordable. Quand le prix monte un peu, ça incite à réfléchir à rentabiliser l'investissement.

 

La marque Astro° notamment, utilisait un calage très haut pour ses achromats lunaire 60/910 de type 465nm-645nm. Ils sont utilisables en lumière du jour ! C'était une possibilité, un choix grâce à leur dépassement du critère achromatique (lumière du jour) que de permettre à un autre critère d'être satisfait comme adaptation mésopique voir aussi scotopique.

Le fait de les utiliser à plus de 2D voire 2.5D fait que l’œil entrait dans la zone mésopique avec des illuminations très réduite.

Pupille de 0.4-0.7mm réduisant fortement l'illumination lunaire. C'était nécessaire de caler assez haut pour tuer toute perturbation nuisible côté bleu à cause de la remontée de sensibilité de l'oeil (bâtonnets). Sans pourtant que les bâtonnets ne participent au contraste. C'est du jeu acrobatique.

W.Rohr n'a jamais montré ça. Ça a fini par chipoter et aboutir à un résidu chromatique RC scotopique.

Donc bof, était-ce utile de s'arc-bouter sur un seul principe de mesure du RC (FC/e) et d'interprétation pour la qualité des instruments ?

Non.

 

°pour mémoire : la marque Astro est une spin-off créé par deux ingénieurs. Un opticien de chez Carton passionné d'astronomie et un ingénieur mécanicien.

C'est souvent le cas que les meilleures marques d'optique pour l'astronomie furent créées par des passionnés, les seuls à même d'éprouver leurs réglages sur le terrain. (nota bene : Taka fait pareil et Vixen itoo).

 

Le polystrehl est un outil, pas un label de qualité. C'est réducteur à un état particulier, il ne peut pas être représentatif du comportement global de l'instrument face aux perturbations (mise en température, turbulence, type d'émission de la cible...)

Il est par exemple des polystrehls "pointus" mais qui ne tolèrent pas de décalage de MAP et donc de turbulence. (J'argumenterai là-dessus)

Modifié 16 avril 2023 par lyl

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Du point de vue application à des réfracteurs achromatiques courants comme une Scopetech 80-1200 (avant mon réglage) que j'ai eu à faire mesurer on obtient un polystrehl maximal de 0.88.

Note : une 80-900 c'est autour de 0.837 et les anciennes 3" f15 c'est 0.8 (réglage bas)

Curieusement, le focus pour ce maxima est dans le jaune -orange vers 585nm !

Les résultats suivants sont alors constatés.

ci dessous : cadmium et hélium pour les références

465nm --------- non mesurable : perturbe

486nm (raie F ou Hgamma) ~0.24 : flou à grossissement équi-pupillaire, l’œil fait mieux => contraste perdu et nécessitant filtrage pour ne pas gêner (on doit être vers 18% de pondération)

495nm (-Oiii) = strehl ~0.6

525nm (le fond de ciel nocturne) = ~0.99

555nm (max de sensibilité photopique) = 0.94

585nm (dans la plage de contraste couleur maximale 570-595) >= 0.99

615nm (trou rouge du méthane, le rouge de la tâche rouge) ~= 0.93

645nm (rouge du cadmium) ~0.6

675nm (un peu au-delà de l'hélium) ~0.18 : flou à grossissement équi-pupillaire, l’œil fait mieux => contraste perdu (2.5-3% de pondération)

----------------

A ma grande surprise, le recalage que j'avais fait ne semble pas avoir énormément d'effet sur le polystrehl max 0.885 mais le piqué de quelques points de contrôles fondamentaux est nettement amélioré, en particulier en observation lunaire.

 

Mais surtout sur cet achromat : la plage de map est agrandie (polystrehl très stable sur 0.1mm.) et des surprises comme pouvoir amener du contraste sur H-alpha ou Oiii sans faire écrouler le pic dans le vert (>0.91)

486nm (raie F ou Hgamma) ~0.34 : flou à grossissement équi-pupillaire, l’œil fait mieux => contraste perdu et nécessitant filtrage pour ne pas gêner (on doit être vers 18% de pondération), mais on peut atteindre 0.43 et sortir du contraste en bord de plage de map.

495nm (-Oiii) = strehl ~0.7 (max 0.77) ! (quasiment la résolution diamétrale sur le bleu ciel => on distingue des détails dans les nuages du ciel)

525nm (le fond de ciel nocturne) = ~0.99

555nm (max de sensibilité photopique) >0.95 !

585nm (dans la plage de contraste couleur maximale 570-595) ~1

615nm (trou rouge du méthane, le rouge de la tâche rouge) ~= 0.87 (en baisse mais on peut grimper à 0.92 en extrémité de la plage)

645nm (rouge du cadmium) ~0.46 (en baisse)

656nm (H-alpha) 0.36 max. Le rouge H-alpha est proche mais reste inaccessible en résolution de jour.

 

C'est assez étrange à interpréter, je vais creuser ça en fonction du f/D (la plage de map est censé dépendre du carré du f/D) pour vérifier ce qui se passe sur les apochromats modernes.

Modifié 16 avril 2023 par lyl