Le Startest ou comment matriser une optique astronomique

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Le Star-test ou comment maîtriser une optique
astronomique ?

• Philippe Morel,
• Société Astronomique de France,
•  Ciel Montbéliard , 5 et 6 octobre 2002.

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• Savoir qualifier dun seul coup dil les
  principaux défauts d une optique,
• Savoir qualifier dun seul coup dil les défauts
  de collimation,
• Savoir lire une image intrafocale, focale et
  extrafocale...
• Tels sont les objectifs de cet exposé.

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• Pour faciliter l explication sera pris en
  exemple le miroir primaire d un télescope
  Newton.
• Pour interpréter le star-test sur un réfracteur
  il suffit d inverser le sens du défaut par
  rapport au réflecteur.

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Géométrie et défauts optiques
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Géométrie et défauts optiques

• Un miroir parabolique parfait concentre les
  rayons lumineux parallèles issus de l infini en
  un point appelé point focal.
• Le star-test consiste à défocaliser en intrafocal
  et en extrafocal et à comparer, à égale distance
  du point focal, les deux images obtenues.
• Si l optique est parfaite ces deux images sont
  identiques.

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Géométrie et défauts optiques

• Une bosse centrée sur l axe optique du miroir
  rendra ce dernier moins convergent et les rayons
  lumineux concentrés par cette zone se croiseront
  plus loin en un second foyer.
• Le cercle de moindre aberration se situera entre
  les deux foyers du miroir.

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Géométrie et défauts optiques

• En intrafocal les deux faisceaux sont confondus
  on perçoit une tache floue uniforme.
• Au point focal est perçue l image de l étoile
  concentrée par la zone non déformée du miroir
  entourée du halo formé par les rayons concentrés
  plus loin par la zone bosselée.

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Géométrie et défauts optiques

• Au cercle de moindre aberration nous sommes en
  position extrafocale pour le point focal et en
  position intrafocale pour la bosse.
• L image est plus concentrée que précédemment
  mais n est pas ponctuelle.
• En position extrafocale nous sommes très près du
  foyer de la bosse est perçue une zone quasi
  ponctuelle au centre d un halo.

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Géométrie et défauts optiques

• La bosse peut ne pas être centrée sur l axe
  optique le faisceau de lumière concentrée par
  cette dernière est alors excentré.

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Géométrie et défauts optiques

• En intrafocal les deux faisceaux sont confondus
  mais de centres différents on perçoit une tache
  floue avec une excroissance lumineuse.
• Au point focal est perçue l image de l étoile
  concentrée par la zone non déformée du miroir
  accompagnée du halo excentré formé par les rayons
  concentrés plus loin par la zone bosselée.

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Géométrie et défauts optiques

• En extrafocal nous sommes très près du foyer de
  la bosse est perçue une zone quasi ponctuelle
  au dessous du centre d un halo.

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Géométrie et défauts optiques

• Un creux centré sur l axe optique du miroir
  rendra ce dernier plus convergent et les rayons
  lumineux concentrés par cette zone se croiseront
  plus près en un second foyer.
• Le cercle de moindre aberration se situera entre
  le foyer principal et le miroir.

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Géométrie et défauts optiques

• En intrafocal le faisceau concentré par le creux
  est proche de son foyer au centre d une tache
  floue uniforme on perçoit un renforcement
  lumineux.
• Au point focal est perçue l image de l étoile
  concentrée par la zone non déformée du miroir
  entourée du halo formé par les rayons concentrés
  plus loin par la zone bosselée.

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Géométrie et défauts optiques

• Au cercle de moindre aberration nous sommes en
  position intrafocale pour le point focal et en
  position extrafocale pour le creux.
• L image est plus concentrée que précédemment
  mais n est pas ponctuelle.
• En position extrafocale les deux faisceaux sont
  confondus et très défocalisés on perçoit une
  tache circulaire floue régulière.

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Géométrie et défauts optiques

• Le creux peut ne pas être centré sur l axe
  optique le faisceau de lumière concentrée par
  cette dernière est alors excentré.

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Géométrie et défauts optiques

• En intrafocal nous sommes très près du foyer du
  creux est perçue une zone quasi ponctuelle au
  dessus du centre d un halo.
• Au point focal est perçue limage de l étoile
  concentrée par la zone non déformée du miroir
  accompagnée du halo excentré formé par les rayons
  concentrés plus près du miroir par la zone en
  creux.

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Géométrie et défauts optiques

• En extrafocal les deux faisceaux sont confondus
  mais de centres différents on perçoit une tache
  floue avec une excroissance lumineuse.

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Géométrie et défauts optiques

• Bosse ou creux, rien ne permet de les
  différencier au point focal. Seule la
  défocalisation le permet.

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Géométrie et défauts optiques

• Bosse ou creux, rien ne permet de les
  différencier au point focal. Seule la
  défocalisation le permet.

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Le télescope Newton
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Le télescope Newton

• L interprétation est encore plus facile dans le
  cas du télescope Newton en raison de la présence
  sur l axe optique du miroir secondaire dont le
  pourtour se projette sur les images défocalisées
  sous forme d un cercle noir.

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Principaux défauts optiques
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Principaux défauts optiques

• Par rapport à un miroir à la forme idéale, les
  défauts les plus communs ne sont quun assemblage
  de bosses et de creux.
• Les plus souvent rencontrés sont
• laberration de sphéricité par sous-correction,
• laberration de sphéricité par sur-correction,
• le bord rabattu,
• la bosse centrale (déjà vue),
• le trou central (déjà vu).

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Aberration de sphéricité

• Tous les rayons venant de l objectif se croisent
  en une zone en forme de trompette appelée
  CAUSTIQUE. Cest la conséquence de l aberration
  de sphéricité.

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Aberration de sphéricité

• Tous les rayons venant de l objectif traversent
  le cercle de moindre aberration au lieu de se
  croiser en un point.

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Aberration de sphéricité

• Cette aberration transversale définit le pouvoir
  séparateur de l objectif

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Aberration de sphéricité

• La distance séparant le cercle de moindre
  aberration de la pointe de la caustique définit
  laberration longitudinale.

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Aberration de sphéricité

• Laberration de sphéricité est dautant plus
  difficile à corriger que lobjectif est ouvert et
  concerne principalement les optique ouvertes à
  moins que F/D8..
• Le lambda a pour conséquence de quantifier
   lépaisseur  du plan focal et n a rien à voir
  avec le pouvoir séparateur mais importe beaucoup
  dans l appréciation du contraste de l image.
• La tolérance de mise-au-point est directement
  fonction du lambda UN MAUVAIS MIROIR SERA
  FACILE A METTRE AU POINT.
• Une bonne optique doit produire une aberration
  transversale d un rayon inférieur à celui de la
  tache de diffraction théorique.
• De très loin il vaut mieux choisir un lambda
  quelconque avec une très faible aberration
  transversale plutôt que l inverse.

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Aberration de sphéricité

• Simulation pour 200mm F/D6 non obstrué
  surcorrigé. Etoile 66 Poissons, séparation 0,5sec.

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Aberration de sphéricité

• Simulation pour 200mm F/D6 non obstrué
  surcorrigé.

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Aberration de sphéricité

• Simulation pour 200mm F/D6 non obstrué
  surcorrigé.

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Aberration de sphéricité

• Sous corrigée si le miroir est surfacé entre la
  sphère et la parabole, cette aberration de
  sphéricité se caractérise par la présence dun
  grand rond noir au centre de limage intrafocale
  et d un rond noir plus petit au centre de
  l image extrafocale.

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Aberration de sphéricité
Sous-correction de 1 lambda
Simulation pour 200mm F/D4 obstrué à 35
sous-corrigé.
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Aberration de sphéricité

• Sur corrigée si le miroir est surfacé au-delà de
  la parabole, cette aberration de sphéricité se
  caractérise par la présence dun petit rond noir
  au centre de limage intrafocale et d un rond
  noir plus grand au centre de limage extrafocale.

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Aberration de sphéricité
Surcorrection de 1 lambda
Simulation pour 200mm F/D4 obstrué à 35
surcorrigé.
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Bord rabattu

• Le bord rabattu allonge la distance focale de la
  périphérie du miroir.
• Le diamètre des cercles noirs est identique en
  intrafocal et en extrafocal et le diamètre du
  cercle lumineux correspondant à la focalisation
  de la zone normale du miroir garde le même
  diamètre dans les deux positions hors zone
  rabattue le miroir se comporte comme une optique
  parfaite.

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Bord rabattu

• La focalisation du bord rabattu ajoute un grand
  halo de lumière faible autour de l image
  intrafocale,
• un halo plus petit mais plus lumineux autour de
  l image focale,
• une image proche de la focalisation formée par la
  couronne de miroir concernée par le bord rabattu,
  projetée au centre du cercle noir en position
  extrafocale.

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Bord relevé

• La focalisation du bord relevé est proche de la
  position intrafocale.
• Les aspects observés seront identiques à ceux
  observés dans le cas du bord rabattu mais seront
  inversés.
• L aspect intrafocal de limage produite par un
  bord relevé correspond à laspect extrafocal de
  limage produite par un bord rabattu et
  vice-versa.
• Les images focales sont identiques.

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Lastigmatisme

• Si la courbure de loptique nest pas
  parfaitement de révolution, la courbure Ms sera
  focalisée plus près que la courbure Mt.
• En S l image sera allongée dans le sens sagittal
  et en T, dans le sens transversal.

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Lastigmatisme

• Simulation pour 200mm, F/D6, obstruction
  centrale à 0,20 et astigmatisme à 0,5 lambda.

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Miroir sous contraintes

• Simulation pour 200mm, F/D6, obstruction
  centrale à 0,20.

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Télescope décollimaté

• Dans l exemple présenté ici est modélisé un
  décentrement de l axe optique de l ensemble
  miroir primaire-miroir secondaire par rapport à
  l axe optique de l oculaire.
• L axe optique de l oculaire est déplacé 1mm en
  dessous et 1mm à droite de l axe optique des
  autres éléments du télescope.
• On fait varier, pour ce même décalage le rapport
  F/D du télescope de 200mm de diamètre.
• Pour chaque configuration est modélisée la tache
  de diffraction, l image de la planète Jupiter de
  référence et l image de la même planète
  modélisée en tenant compte de la décollimation.

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Télescope décollimaté
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Télescope décollimaté
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Télescope décollimaté
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Télescope décollimaté
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Télescope décollimaté
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Télescope décollimaté