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COMMENT CONSTRUIRE UNE
LUNETTE ASTRONOMIQUE

G. Carboni, Mars 1996
Traduit par Caroline Varin, Juillet 2007

C O N T E N U

- Introduction
- La première lunette
- Comment utiliser la première lunette
- Le support de la lunette
- Défauts (ou aberrations) des lentilles
- Les oculaires
- Produire une image droite
- Une lunette achromatique
- Pouvoir séparateur et grandissement
- Observations à la lunette astronomique
- Bibliographie

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INTRODUCTION

Je décris comment construire deux lunettes. La première est plus facile à construire, et permet la compréhension des solutions adoptées dans la seconde, qui est plus perfectionnée et mieux optimisée pour l’observation astronomique.

Avant toute observation il faut préciser une chose:

N'UTILISEZ PAS LA LUNETTE POUR OBSERVER LE SOLEIL!
Vous vous brûlerez la rétine!

LA PREMIÈRE LUNETTE

Comme je l’ai dit, vous pouvez construire la première lunette sans grande difficulté, ce qui vous permettra de comprendre la structure et le fonctionnement d’une lunette en général. Même si elle est simple elle peut vous permettre de visualiser les cratères de la Lune et les satellites de Jupiter. Elle est aussi très utile pour mettre en évidence quelques défauts classiques des lentilles que le physicien nomme des aberrations. La construction de ce première lunette est donc une étape nécessaire à la compréhension des choix faits pour la deuxième.

Dans l’article « Des Lentilles aux Instruments d’Optique », vous avez vu comment ça fonctionne une lunette. Pour ne pas être redondant, je me contente ici de rappeler simplement que l’objectif forme une image de l’objet observé, et que cette image est ensuite grossie par l’oculaire.

 

 

Les figure 2 et 3 montrent notre première lunette, qui est fait avec des matériaux faciles à trouver. Les constituants de cet instrument sont:
1. Une bague pour fixer la lentille de l’oculaire à l’arrière.
2. Une bague pour centrer la lentille de l’oculaire.
3. L’oculaire : ici une lentille convergente de distance focale de 20-50 mm. Vous pouvez en acheter une chez un opticien ou un photographe, ou vous pouvez en prendre une sur une caméra jetable.
4. Une bague pour fixer l’oculaire à l’avant.
5. Un tube en carton pour réaliser l’oculaire. Vous pouvez utiliser le carton du papier essuie tout, ou celui du papier d’aluminium… vous pouvez aussi utiliser un morceau de ces derniers pour faire les bagues de fixation de la lentille, évoquées plus haut au 1, 2 et 4.
6. Une jonction entre l’oculaire et le corps de la lunette. C’est tout simplement un cylindre percé, avec un diamètre extérieur qui permet un emboîtement parfait avec le corps de la lunette et un diamètre intérieur qui permet un ajustement serré mais mobile de l’oculaire – pour la mise au point. Vous pouvez réaliser cette jonction en utilisant plusieurs disques de contre-plaqué collés ensemble, ou en utilisant un cylindre de polystyrène avec un trou en son centre.
7. Le corps de la lunette. Il est préférable d’utiliser un cylindre en carton ou en plastique à peu près aussi long que la distance focale de l’objectif et avec un diamètre extérieur d’environ 50-60 mm. Une bonne idée est d’utiliser les tubes qui emballent les affiches, les dessins ou les tapis.
8. Lentille de l’objectif. Vous pouvez utiliser une simple lentille pour lunettes de distance focale 500-1000 mm. Vous pouvez l’acheter chez un opticien. Demandez à l’opticien de réduire le diamètre de la lentille de manière à l’ajuster parfaitement dans le tube.
9. Un diaphragme. La encore on peut simplement découper un disque dans un papier noir, du diamètre du corps de la lunette, et percer un trou de 15 mm de diamètre en son centre.
10. Fermeture du tube. Si vous avez opté pour un tube à feuille de dessin, vous disposez d’un « couvercle » qui sera utile pour fermer l’objectif et le diaphragme. Sinon vous pouvez le fabriquer avec un disque de carton. Faites une série d’entailles radiales tout autour du disque pour faire un ensemble de languettes. Pliez ces languettes. Puis placez le couvercle du tube à l’une des extrémités du tube principal, placez les languettes sur l’extérieur du tube et collez-les ensemble tel qu’elles sont ainsi placées. Attention vous ne devez pas coller les languettes sur le tube… quand la colle est sèche, enlevez le capuchon réalisé, et découpez un trou de quelques millimètres de moins que le diamètre extérieur du tube représentant le corps de la lunette.

 

Figure 3 - Les composants de la première lunette d'approche.
(L'oculaire est dans son petit tube.)

 

La distance entre l’objectif et la lentille de l’oculaire doit être égale à la somme des distances focales de ces deux lentilles (cela permet d’avoir une image à l’infini à la sortie de la lunette, et donc de ne pas fatiguer l’œil).

Le tube qui représente l’oculaire doit pouvoir coulisser de quelques centimètres pouvoir faire la mise au point. Vous devez donc rendre la longueur du tube principal un peu plus courte de la focale de l'objectif pour vous permettre de faire la mise au point en jouant avec le tube oculaire.

L’oculaire doit coulisser facilement dans le tunnel, mais pas suffisamment facilement pour ne pas qu’il tombe si vous tenez la lunette verticalement. Peignez l’intérieur du tube avec une peinture noire opaque ou de l’encre d’Inde. Placez une sécurité sur le capuchon de la lunette pour ne pas le perdre en cours de route.


COMMENT UTILISER LA PREMIÈRE LUNETTE

N’utilisez pas le diaphragme en premier, mais gardez l’objectif sur la plus grande ouverture. Pointez l’instrument vers un objet éloigné. Ajustez l’oculaire d’avant en arrière jusqu’à obtenir l’image la plus distincte possible. Vous arrivez donc rapidement à la conclusion que l’image n'est pas distincte et est de mauvaise qualité.

C’est la simplicité de l’objectif qui explique ce phénomène. En effet, il est à l’origine de nombreux défauts, ce qui provoque la mauvaise qualité de l’image.

Vous pouvez réduire certains de ces défauts que l’on nomme aberrations en diminuant la dimension utile de la lentille.

C’est pourquoi nous utilisons un diaphragme placé sur l’objectif. C’est un disque de papier noir avec un trou de 15 mm de diamètre en son centre. Ce diaphragme réduit les défauts de la lentille mais a pour désavantage de diminuer également la luminosité de l’image.

De ce fait vous ne pouvez observer que les objets très illuminés par le soleil. Pour minimiser les aberrations chromatiques (irisations sur les cotés de l’image), vous devez utiliser une lentille achromatique comme objectif. On verra ça plus avant.

 

LE SUPPORT DE LA LUNETTE

Quand vous utiliserez votre lunette vous constaterez qu’il n’est pas aisé de la tenir de manière stable à bout de bras. Vous devrez donc construire un support (figure 4) pour vous aider à viser avec votre instrument tout en le maintenant stable. Vous pouvez fixer ce support sur un trépied photographique.


ABERRATIONS DES LENTILLES

La première lunette vous donnera une bonne idée des aberrations que l’on peut rencontrer au niveau des lentilles (figure 5) – vous aurez tout le loisir d’en observer une bonne partie en direct. Dans cet instrument simple, les aberrations chromatiques sont les plus importantes. Les aberrations peuvent être relativement bien réduites par une structure particulière de la lentille. Comme il n’est pas possible de limiter toutes les aberrations avec une seule lentille, les objectifs et les oculaires sont souvent composés de plus d'une lentille. En sélectionnant le type de verre pour chaque lentille, des courbures de leurs surfaces et en jouant avec la distance entre les lentilles, il est possible de contrôler de manière satisfaisante les défauts du système optique. En général, le degré de correction des défauts dépend du nombre de lentilles utilisées.

 

 

Pour la seconde lunette, montrée dans la figure 12, nous utilisons un objectif achromatique, réalisé avec deux lentilles de forme différente, l’une convergente, l’autre divergente. Parfois elles sont collées ensemble à l’aide de Baume du Canada ou de résine synthétique (doublet cimenté), d’autres fois elles sont gardées séparées (doublet à couche d’air). Ces deux lentilles ont des indices de réfraction différents, une avec un indice élevé (verre Flint) et l’autre faible (verre Crown). De cette manière, les aberrations chromatiques des deux lentilles vont à l’encontre l’une de l’autre et se compensent, produisant ainsi une image beaucoup plus distincte que ce que l’on obtient avec une seule lentille.

En général, ces objectifs sont aussi construits pour réduire les autres types d’aberrations. Bien évidemment les objectifs achromatiques n’ont pas tous la même qualité. Certains d’entre eux laissent encore quelques défauts chromatiques résiduels, d’autres ne permettent une mise au point correcte que sur le centre de l’image, d’autres encore produisent une distorsion en coussinet ou en barillet. La figure 5 décrit les principaux défauts des lentilles.


LES OCULAIRES

Dans notre première lunette nous utilisons un simple verre grossissant comme oculaire. De la même manière les oculaires réalisés avec une seule lentille présentent plusieurs défauts – que l’on ne peut corriger avec cette seule lentille - , particulièrement chromatiques. Au début des années 1700, Huygens montra que l’on pouvait éliminer les défauts chromatiques dans un oculaire en utilisant un système de deux lentilles. Depuis, beaucoup d’oculaires ont été conçus pour obtenir de meilleures corrections, un champ de vision plus vaste (angle sous lequel on voit l’objet), etc… Cependant, les oculaires conservent la même fonction basique de grossir l’image réelle formée par l’objectif. Les principaux paramètres qui caractérisent un oculaire sont les suivants:

Paramètre Définition
MODÈLE Type d’oculaire qui permet de corriger certaines aberrations.
DISTANCE FOCALE Participe à déterminer le pouvoir grossissant du lunette.
CHAMP Indique l'ampleur de l'image. Un champ plus vaste rend plus confortable l'observation.
DISTANCE DE L'OEIL Indique la distance à laquelle l'œil doit rester de l'oculaire.
DIAMÈTRE Indique le diamètre extérieur du tube de l’oculaire. Il y en a deux types principaux: de 24 mm et de 32 mm environ.

 

Outre à ceux qui sont montrés figure 6, il y a d’autres types d’oculaires qui utilisent plus de lentilles. Leur emploi est spécialisé et sont en général très chèrs.


PRODUIRE UNE IMAGE DROITE

Avec la première lunette que vous avez construit, les images étaient inverses, chose que j’ai expliquée dans l'article: “Des Lentilles aux Instruments d'Optique”. Mais les astronomes ne s’offusquent pas d’observer des étoiles à l’endroit ou à la l’envers. En effet, hormis pour le Soleil, les étoiles sont si éloignées que même avec les plus puissants télescopes personne n’a encore vu leurs contours. Elles leurs apparaissent toujours comme des points lumineux, et observer un point lumineux à l’endroit ou à l’envers ne fait pas une grande différence. Cependant beaucoup de gens aimeraient utiliser leur lunette pour des observations terrestres, dans quels cas le sens de l’image est important.


 

Plusieurs méthodes différentes nous permettent de remettre l’image dans le bon sens sans la détériorer de manière significative. Les figures 7, 8, 9, 10 et 11 montrent les principaux systèmes de remise à l’endroit. Ces systèmes optiques sont vendus avec une house et un tube pour les relier à l’oculaire et au système de mise au point.

 

 

 

LA LUNETTE ACHROMATIQUE

Pendant la construction de cette seconde lunette (figure 12), nous allons faire un bond de qualité technologique pour les techniques de fabrication pour obtenir de meilleures performances que celles que nous avions avec notre simple lunette. Pour construire cet instrument, vous avez besoin :

- d’un objectif achromatique avec un diamètre entre 40 et 100 mm, de focale comprise entre 800 et 1200 mm;
- un oculaire avec une distance focale comprise entre 20 et 40 mm. Tous les modèles proposés en figure 6 sont adaptes sauf l’oculaire de Ramsden;
- un dispositif avec crémaillère pour faire la mise au point. Il est fait de deux tubes qui coulissent l’un dans l’autre. Celui intérieur est déplace par une couple d'engrenages "pignon-crémaillère";
- un système de retournement d’image (voir les figures 7 – 11);
- un tube principal en aluminium d'épaisseur = 1 mm. Achetez le avec une longueur équivalente à la distance focale de l’objectif. Le diamètre intérieur doit être plus grand que la monture de l’objectif;
- une bague d’adaptation en plastique ou en aluminium;
- une jonction en plastique noire ou aluminium;
- un tube para lumière: tube di plastique noire ou aluminium;

 

 

Vous pouvez acheter l’objectif, l’oculaire, le système de mise au point et le système de retournement de l’image chez des fournisseurs de produit d'optique qui font des annonces dans les magazines d’astronomie, ou alors vous pouvez vous renseigner auprès d’amateurs d’astronomie pour des conseils. Dans tous les cas, soyez surs de choisir les diamètres de toutes vos pièces de manières à ce qu’elles s’emboîtent l’une dans l’autre. Sans quoi, vous devrez fabriquer les bagues d’adaptation.
Vous pouvez usiner les parties mécaniques avec un tour. Si vous n’en avez pas, vous pouvez aller dans une usine de tourneur. Comme il s'agit de travaux relativement simples, vous ne devrez pas dépenser beaucoup. Dans tous les cas, demandez un devis. Les étudiants des collèges techniques peuvent avoir accès aux laboratoires de leur école. Toutefois, il est possible trouver en commerce des tours de fabrication chinoise pour moins de 1000 euros. Pour le même prix, vous pouvez aussi avoir une petite occasion.


LE POUVOIR SÉPARATEUR ET LE GRANDISSEMENT

Le grandissement de la lunette (M) est donné par le quotient des distances focales de l’objectif et de l’oculaire : M = Fob/Foc. Vous ne pouvez pas grossir indéfiniment et voir de plus en plus de détails. Le grossissement maximum que l’on peut avoir avec un lunette est limité par le diamètre de l’objectif. Plus l’objectif est grand plus on peut distinguer des points rapprochés.

Le pouvoir séparateur (PS) d’un objectif corrigé, exprimé en seconde d’angle, est donné par PS’’ = 120/DD est le diamètre de l’objectif en millimètres. L’œil humain a un pouvoir séparateur d’environ 60’’. Donc, le grossissement optimum (MM) pour un objectif est donné par le quotient entre le PS de l’œil et le celui de l’objectif : MM = PSeye / PSob. Par exemple, un objectif achromatique de diamètre 80 mm a un PS de 120/80 = 1,5’’. Donc, le pouvoir grossissant correct en utilisant cet objectif sera : 60/1,5 = 40 X. en pratique, vous pouvez doubler cette valeur, mais il est plus prudent de ne pas aller trop loin, parce que la définition des détails n’augmentera pas. Pour toute conclusion, suivez cette règle simple : les pouvoir grossissant de la lunette ne doit pas dépasser le diamètre de l’objective exprimé en mm. Testez le PS réel de votre instrument par la technique des étoiles doubles dont les distances angulaires sont répertoriées dans les livres d’astronomie.


OBSERVATIONS À LA LUNETTE ASTRONOMIQUE

Le corps céleste le plus intéressant à regarder est sans aucun doute la Lune. Le meilleur moment pour observer la Lune avec votre lunette astronomique est au premier quartier, quand elle apparaît seulement à moitié illuminée. Dans ces conditions, les monts lunaires et les cratères projettent de longues ombres, qui les rendent beaucoup plus visibles depuis la Terre.

Faites vos premières observations avec la lunette simple, celle avec le lentille en verre simple comme objectif. Au début, ôtez le diaphragme de l’objectif. Sur les bords de l’objet illuminés, vous pouvez voir la couleur bleue d’un coté et la couleur orange de l’autre. Ces couleurs sont produites par les aberrations chromatiques. L’image apparaîtra beaucoup floue. Maintenant placez le diaphragme sur l’objectif. Cela réduira beaucoup les aberrations et vous verrez la différence. Au contraire, en utilisant une lunette achromatique les aberrations seront par comparaison presque imperceptibles même sans le diaphragme. En effet, avec ce type d’instrument, le diaphragme n’est pas nécessaire.

D’autres corps à observer sont les planètes les plus proches. Jupiter montrera 4 satellites alignés dans son plan équatorial, apparaissant comme une miniature du système solaire. Pour observer les anneaux de Saturne, vous aurez besoin d’un instrument de bonne qualité et de grand pouvoir de grandissement. La comparaison entre la taille apparente de Jupiter et de Saturne nous donne une idée des grandes distances en astronomie. Vous pouvez aussi voir Mars, la planète rouge, Vénus, qui présente des phases comme la Lune, et vous pouvez aussi observer des amas d’étoiles et des étoiles doubles.

AVERTISSEMENT:
N'UTILISEZ PAS LA LUNETTE POUR OBSERVER LE SOLEIL!
Vous vous brûlerez la rétine !

Ce que vous pouvez faire à la place, c’est de projeter l’image du Soleil sur un écran ou sur le mur de la chambre. A ce but, il vous sera utile un prisme ou un miroir. Vous pouvez le faire pendant une éclipse solaire. Vous apprécierez un superbe spectacle, à partager avec de nombreux amis.

Les observations terrestres sont aussi amusantes. Avec le lunette, vous pouvez observer que les oiseaux qui volent dans votre jardin ne sont pas tous des moineaux mais aussi des mésanges, des rouges-gorges, des pinsons, des fauvettes à tête noire, etc. … avec votre lunette vous serez en mesure de reconnaître les différentes espèces à la couleur de leur plumage. Vous pouvez aussi observer les insectes sur les fleurs, sans vous faire piquer le nez.


BIBLIOGRAPHIE

How to Build a Telescope?  Comment construire un télescope à miroir. Article très bien fait.

 


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