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Le meilleur des meilleurs renvois diagonaux

Le renvoi coudé diélectrique de 50 mm de Tele Vue. Document Pedro Ré.

Le coefficient de réflexion

Comme de nombreux observateurs, vous avez probablement noté la mauvaise qualité des renvois coudés (renvois diagonaux ou redresseurs) proposés d'usine avec les instruments d'astronomie d'entrée de gamme. Cette boîte magique cache un prisme ou un miroir plan à quelques centimes recouvert d'aluminium, bien incapable de transmettre toute la lumière tombant des étoiles.

Si cela peut être suffisant pour initier un amateur occasionnel à l'astronomie, pour la haute résolution une qualité optique médiocre n'est plus permise.

Si le coefficient de réflectivité est important, en pratique, tout système optique à travers lequel doit passer la lumière "conserve" quelques pourcents de lumière et peut générer des aberrations.

Mais quoiqu'en disent les experts, même une perte de lumière de 10 % est visible, comme l'est une surface polie comparée à une surface rugueuse.

Pour garantir que 100 % de la lumière incidente est réfléchie sans perte lumineuse, sans distorsions ni aberrations, il faut utiliser une surface hautement réflectrice présentant par ailleurs une forte résistance aux altérations mécaniques et chimiques (sable, humidité, etc). Ces renvois diagonaux ne sont plus revêtus d'aluminium mais de couches minces diélectriques. On y reviendra un peu plus bas.

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Le prisme, source d'aberrations

On se souvient tous de l'expérience de Newton sur la lumière et le fait qu'un prisme diverge et décompose la lumière blanche en créant un arc-en-ciel. Nous savons aussi qu'une lentille n'est rien d'autre qu'un prisme, le point focal variant en fonction de la longueur d'onde (l'indice de réfraction variant en fonction de cette dernière); c'est l'effet bien connu de l'aberration chromatique qui apparaît même lorsque les surfaces optiques sont parfaitement planes.

Un renvoi coudé classique à prisme de 31.75 mm (1.25") fabriqué en Chine et vendu 42$ chez Orion. Il y a moins cher et pire.

De plus, un renvoi à prisme introduit une aberration de sphéricité sur le front d'ondes du fait que le faisceau convergent traverse une épaisseur significative de verre optique; le trajet en bordure du faisceau lumineux est plus long que celui d'un rayon lumineux situé au centre de l'axe. Ce phénomène génère l'aberration classique de sphéricité, même pour une seule longueur d'onde.

En outre, l'aberration de sphéricité est plus importante dans les systèmes offrant un court rapport focal. Elle s'accentue également dans les grands renvois diagonaux du fait que la lumière parcourt un plus long trajet lumineux dans la structure du prisme.

Un renvoi en diagonal à prisme est donc sensible aux deux aberrations : chromatisme et sphéricité. C'est la raison pour laquelle les fabicants corrigent ces aberrations en remplaçant le prisme par un miroir plan. En effet, un renvoi coudé à miroir ayant une surface optique parfaitement polie ne génère ni aberration chromatique ni aberration de sphéricité.

Seul inconvénient ou problème à résoudre, sa surface réfléchissante doit être aussi parfaite que possible pour éviter toute perte de lumière et distorsion. C'est le défi auquel font face les fabicants avec plus ou moins de succès.

Des différences visibles entre renvois coudés

Les renvois coudés sont proposés dans un éventail de prix variant entre 60 et 150 € pour les modèles classiques mais ils peuvent dépasser 400 € ttc chez Astro-Physics, Tele Vue ou Takahashi. La plupart de ces modèles donnent de bons résultats et bien malin serait celui qui pourrait percevoir la différence entre deux marques sans faire un test en conditions réelles d'utilisation. En effet, par définition une optique est faite pour exploiter la lumière, et ce n'est pas en dissertant dans une boutique de son prix, son poids, son encombrement ou de sa qualité qu'un amateur peut se faire son opinion; il doit l'utiliser et de préférence dans son propre télescope et pas celui d'un autre qui présente probablement une autre configuration.

Qu'observe-t-on sur le terrain ? Comparé à un renvoi coudé diélectrique, celui recouvert d'un simple revêtement d'aluminium renforcé et antireflet ne peut pas lutter en contraste planétaire. Le ciel par exemple est plus sombre dans un renvoi à miroir diélectrique que dans n'importe quel modèle équipé d'un prisme, y compris le 50.8 mm de Meade ou de Takahashi. L'image est également plus nette que dans le modèle standard de Celestron, surtout à fort grossissement.

Mieux encore, la collimation apparaît de la même manière à travers un renvoi coudé diélectrique que si on l'observait directement à travers le tube optique. On ne peut pas dire la même chose à propos des renvois à prisme vendus avec les télescopes catadioptriques de Meade ou de Celestron.

La différence peut également être perçue en utilisant un télescope de court rapport focal. A f/12 par exemple la plupart des renvois coudés fonctionnent bien, mais ils donnent des images horribles à f/4 ou f/6, même montés sur des lunettes haut de gamme.

Intes

Deluxe de 50 mm

Astro-Physics

Maxbright de 50 mm

Tele Vue

Everbright de 50 mm

Celestron

Diagonal de 50 mm

Enfin, dans certaines circonstances, en utilisant un Celestron C8 ou un NexStar 5 avec le réducteur/correcteur focal de 0.63x, des observateurs ont rapporté que la collimation était rejetée loin en arrière avec le diagonal de 50.8 mm de Tele Vue, légèrement avec le Meade mais aucunement avec celui d'Astro-Physics.

En termes optiques, personne ne peut réellement expliquer pourquoi certains renvois coudés de 50 mm sont affectés par ce problème lorsqu'on atteint les limites du tirage. On peut blâmer la position du miroir en diagonal sur son support - et Tele Vue accepte de remplacer le miroir fautif - mais cela signifie que les performances du réducteur dépendent parfois d'un compromis avec le renvoi coudé de 50.8 mm.

Voyons à présent pour quelles raisons ces fameux renvois coudés diélectriques sont si performants.

Les revêtements diélectriques

Le concept de multicouche diélectrique fut développé par l'armée américaine pour les miroirs optiques utilisés dans les guerres du désert où soufflait du sable et des poussières ou pour des optiques immergées dans l'eau boueuse et que les soldats nettoyaient ensuite avec un tissu sâle qui aurait abîmé n'importe quelle autre surface réflectrice. En fait ces revêtement sont durs, et même plus résistants que le verre qu'ils protègent.

Cette technologie a été affinée par divers fabricants et est accessible aux amateurs depuis quelques dizaines d'années.

On parle de revêtement diélectrique car il n'utilise pas de métal contrairement aux revêtements classiques et présente un indice de réfraction réel alors que l'aluminium par exemple présente un indice de réfraction complexe. De plus, le métal étant conducteur d'électricité et présentant une forte émissivité en infrarouge, il ne convient pas pour certaines activités scientifiques.

Le procédé diélectrique dépose généralement entre 6 et plus de 50 couches minces sur le miroir selon les applications contre 3 à 10 couches en général pour un revêtement d'aluminium renforcé et hydrophobe.

Contrairement à l'aluminure ou l'argenture qui se réalise dans une cloche sous vide à moins de 100°C, tous les diélectriques sont déposés à 250°C.

Photographies prises au microscope d'une surface couverte d'un film diélectrique montrant les effets de l'épaisseur du film sur la croissance et la taille du conglomérat. A gauche, un film de 37 nm d'épaisseur, à droite un film de 380 nm d'épaisseur. Les deux images mesurent 500 nm de côté. Document OSA/Protostar.

Pour vous convaincre des performances des revêtements diélectriques, Thomas Baader des fameux accessoires allemands (Baader Planetarium qui vend également des renvois coudés Zeiss à prisme) a montré au tout aussi célèbre Roland Christen d'Astro-Physics un renvoi coudé diélectrique fabriqué à Leiboldt, en Allemagne, et le mit au défi de le rayer en le nettoyant vigoureusement. Il n'y parvint pas.

Aussi, après avoir longtemps travaillé avec ces diagonaux, Roland Christen peut dire sans se tromper que ce genre de renvoi coudé donne vraiment l'impression qu'il n'y a aucun accessoire interposé entre l'objectif et l'oculaire. Son opinion a été confirmé par de nombreux amateurs expérimentés.

En effet, première chose à savoir, les revêtements diélectriques sont résistants et ne se dégradent pas comme l'aluminium. Pas besoin non plus de maintenance étant donné que le revêtement ne peut pas être enlevé. Pour retirer ce revêtement la surface doit être repolie, et retaillée si la surface n'est plus exactement plane.

Tony Pirera qui développa la technique diélectrique pour Astro-Physics et Tele Vue insiste sur le principal avantage de ces renvois coudés : le miroir présentera toujours la même haute réflectivité de 99 % dans 10 ans, alors que la plupart des revêtement métallisés auront chuté bien en-deçà de 90 % et devront être réaluminés.

Markus Ludes d'APM Telescopes confirme qu'en ayant testé la réflectivité de miroirs en quartz couverts d'aluminium, il constata qu'après 10 ans leur pouvoir de réflexion était tombé à 83-85 %. Vous pouvez même obtenir des valeurs plus mauvaises avec un renvoi coudé classique qui perdra toute efficacité au bout de 10 ans et devra être réaluminé (ou réargenté).

En utilisant d'excellents renvois coudés comme le Maxbright par exemple, vous pouvez le nettoyer de manière répétée sans développer la moindre piqûre ou trace. Les mêmes manipulations ne sont pas possibles avec la majorité des renvois coudés aluminisés, protégés et autres modèles "enhanced". Même protégés par de la silice, "améliorés" ou non, les revêtements aluminisés offrent une surface très fragile qui ne supporte pas les nettoyages répétitifs.

Bonus supplémentaire, les revêtements diélectriques diffusent beaucoup moins la lumière que n'importe quel revêtement aluminisé. Selon Astro-Physics, examiné au laser, le diélectrique réduit de 5 fois la dispersion de la lumière comparé à une surface classique d'aluminium. Ceci, parce que la couche d'aluminium est constituée d'une série de gouttelettes vaporisées de l'ordre de grandeur de la lumière qui les frappent alors que les revêtements diélectriques sont constitués de couches minces (37-137 nm pour une épaisseur d'un quart d'onde) d'oxydes de silicium et de titane déposées sur la surface par un faisceau d'électrons ou une assistance ionique à haute température qui rend la surface plus dense et plus lisse.

A gauche, les revêtements diélectriques sont constitués d'un empilement de couches minces (~100 nm) de matériaux d'indices de réfraction différents d'une épaisseur λ/4. A droite, copie-écran d'un interférogramme d'un renvoi coudé diélectrique Maxbright d'Astro-Physics. L'analyse du front d'onde de la zone centrale est affichée à droite. L'écart P-V=0.01 onde à 543.5 nm, soit λ/100, l'écart RMS =0.003 soit λ/333 et puisqu'il s'agit d'un miroir plan sans obstruction, le rapport de Strehl = 1 (cf. cet article sur la qualité d'une optique). Difficile de faire mieux. Documents T.Lombry et Roland Christen.

Performances

Quelques renvois coudés partagent des caractéristiques très appréciées comme ceux proposés par Astro-Physics, Intes, Lichtenknecker Optics ou Tele Vue. Tous utilisent des mirois diagonaux protégés par un revêtement diélectrique et présentent une très haute réflectivité. Leur rectitude est d'ordinaire supérieure à 1/10e de longueur d'onde. Ils sont constitués de vitrocéramique Sitall ou Zerodur présentant une épaisseur de 10 mm pour le modèle de 50.8 mm de diamètre.

Le modèle "Maxbright" d'Astro-Physics présente une réflectivité de 99 % en lumière blanche entre 400 et 720 nm (il dépasse 700 nm de façon à s'adapter au spectre plus étendu des caméras CCD).

Le modèle "Everbright" proposé par Tele Vue est en tous points similaire à celui de Tele Vue, présentant 99 % de réflectivité (c'est normal, les deux modèles utilisent la même technique).

En revanche, le modèle proposé par Lichtenknecker Optics est uniquement compatible avec son Système 64 mais présente les mêmes performances.

Le modèle Deluxe d'Intes utilise un revêtement réfléchissant 96 % de la lumière sur toute sa surface et offre une surface taillée à environ 1/20e de longueur d'onde. Les modèles offrant 99 % de réflectivité sont taillés à 1/10e de longueur d'onde mais uniquement au centre du miroir, la partie la plus utilisée à fort grossissement.

Williams Optics propose également des renvois coudés diélectriques sur substrat en quartz ou Dura-Bright offrant 99 % de réflectivité et taillés à 1/10e ou 1/12e de longueur d'onde.

Certains autres modèles présentent 96 % de réflectivité, comme le modèle standard d'Intes taillé à 1/15e de longueur d'onde ou l'ancien modèle de diagonal vendu par Brandon.

Dernière chose à savoir, et non des moindres à propos de leur prix, les renvois coudés diélectriques offrant 99 % de réflectivité sont 3 à 4 fois fois plus chers que ceux offrant 96 % de réflectivité et traités antireflet ("overcoated enhanced"). Soyons encore heureux, car il y a vingt ans, ils étaient 6 fois plus cher.

Le miroir aux alouettes

Depuis de nombreuses années, le constructeur américain Vernonscope (des oculaires Brandon) propose un renvoi coudé argenté en quartz taillé entre λ/20 et λ/30, qu'il considère lui-même comme " le meilleur du monde" (sic!). Mais ce n'est pas ce critère "marketing" qui le rend meilleur qu'un autre renvoi coudé pour autant. En effet, le fait que le miroir de son renvoi coudé soit mieux taillé ne va pas changer la qualité de l'image qu'on voit dans l'oculaire.

En pratique, l'image d'une étoile n'occupe qu'une petite fraction de la surface totale du miroir d'un renvoi coudé (0.2 à 0.5 mm à très fort grossissement, par exemple dans un oculaire de 4 mm de focale). Pour un miroir coudé taillé à λ/4, (on ne parle pas des miroirs secondaires diagonaux des télescopes de Newton), la zone centrale de 0.2 mm offre une planéité de λ/40. C'est mesurable, c'est un fait. Maintenant comparez cette valeur à celle affichée dans l'interférogramme du renvoi coudé d'Astro-Physics (plus haut).

En fait, tout écart de la surface plane ne va jamais changer cette valeur. En termes d'aberrations, un miroir plan moins bien taillé va juste augmenter l'astigmatisme (les étoiles auront une forme allongée plutôt que ronde à fort grossissement) mais cela n'affectera pas les autres aberrations.

Mais on peut se demander combien d'observateurs noteront la différence à l'oculaire ? Elle ne sera visible que si la surface du miroir est taillée à environ 1λ soit une longueur onde, ce qui n'arrive jamais (les miroirs sont généralement taillés entre λ/4 (au pire) et λ/10-λ/12.

L'argument de Vernonscope est donc une manière détournée de tromper les amateurs qui méconnaissent les lois de l'optique. Ce n'est pas très honnête.

Arguments et contre-arguments

Certaines personnes prétendent que nous n'avons pas réellement besoin de renvois coudés offrant une réflectivité supérieure à 96 % et citent au moins deux raisons.

La première raison évoquée est qu'une réflectivité de 96 % ou de 99 % ne peut pas être distinguée en raison de la réponse logarithmique de nos yeux; on ne verrait pas la différence de brillance.

Or cet argument n'a pu être formulé que par un amateur de salon qui n'a jamais utilisé un renvoi coudé diélectrique. Si vous avez la possibilité de comparer un renvoi classique et un diélectrique dans les mêmes conditions d'utilisation, même s'il est vrai que la différence ne "saute pas aux yeux" d'un amateur débutant, pour un oeil aguerri 4 % de réflectivité et un meilleur contraste se voient pour ainsi dire à "l'oeil nu". Malheureusement, il est difficile de comparer l'image de deux télescopes de manière empirique et subjective.

L'idéal serait de fabriquer un diviseur optique de type binoculaire et de placer deux renvois coudés en parallèle. Cet argument restera donc anecdotique même si l'expérience est pertinente et mérite d'êtrre faite pour taire les rumeurs et les mauvaises langues.

La seconde raison évoquée concerne la qualité des miroirs des télescopes fabriqués en masse. Aux limites du champ couvert par de nombreux renvois coudés, c'est-à-dire loin de l'axe optique du miroir principal du télescope, la qualité de l'image chuterait drastiquement en raison des aberrations et elle serait pire que les valeurs décrites dans les spécifications des constructeurs.

S'il est effectivement vrai que les aberrations optiques augmentent hors axe et peuvent détruire la qualité d'une belle image, il ne faut pas en déduire qu'un renvoi coudé de qualité est inutile. Même si dans ces conditions on n'en tirera pas le maximum, ce n'est sûrement pas en utilisant des accessoires bas de gamme que la qualité du système optique va s'améliorer.

Ceci dit, si j'avais l'opportunité d'acheter un renvoi coudé de 99 % ou de 96 %, ou un miroir taillé au 1/4 d'onde et le même à 1/10e d'onde, pourquoi choisirais-je le modèle perfectible ? Ce débat étant valable pour toute chose, la question devient relative et souvent tributaire d'autres facteurs. Etant donné que souvent le facteur décisif est le prix, le choix peut également dépendre de votre budget.

Je remercie Roland Christen d'Astro-Physics, Tony Pirera de Spectrum Thin Films, Markus Ludes d'APM Telescopes et Norm Page de la NASA/JPL (ret.) pour leur support et leurs explications.

Pour plus d'informations

Les revêtements des miroirs de télescopes (sur ce site)

Mirrors vs. Dielectric vs. Prism Diagonal Comparison, William Paolini, Badder Planetarium, 2014 (PDF)

Astro-Physics

APM Telescopes

Baader Planetarium

Intes

Lichtenknecker Optics

Optique Unterlinden

Tele Vue

Williams Optics

Renvois coudés, Medas Instruments

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