CONCEPTION D'UN SYSTEME DE GUIDAGE HORS D'AXE

La conception d'un système de guidage hors d'axe est assez simple mais nécessite quand même un peu de dessin et de schémas optiques.

Je vais tenter d'expliquer ci-dessous comment je procède à partir d'un exemple concret. le cas du prisme intégré dans le boîtier d'un APN est décrit en fin de page.

Tout d'abord, il faut placer sur un schéma un axe optique central puis d'un coté (à gauche) l'objectif symbolisé par un trait et un arc de cercle et au foyer de celui-ci le capteur d'imagerie. Ici, j'ai dessiné un objectif ouvert à F4, il s'agit d'un 100 mm de diamètre avec 400 de focale. Le schéma est valable pour toutes les focales et diamètres, du moment que le rapport F/D est de 4. J'ai également dessiné le plan de la baïonnette Canon , à 44 mm du plan focal, c'est utile pour se donner une référence de positionnement max du prisme. La capteur retenu est un capteur style CANON EOS 350D, avec un choix de positionnement du prisme au plus près sur le grand coté du capteur.

Ensuite, on va tracer le champ de pleine lumière de l'objectif. Il est obtenu en traçant les rayons partants des bords du capteur et allant vers les bords de l'objectif.
Ainsi, si aucune mécanique ne vient rentrer à l'intérieur de ces rayons, il n'y aura pas de vignetage de l'image sur le capteur.

Les rayons matérialisant le champ de plein lumière sont rouges en haut et verts en bas. Pour la clarté de la figure,on ne garde que les rayons extrêmes dans les figures ci-après.

Ensuite, on place le prisme dans la figure. Il n'est pas placé au hasard car il faut pouvoir faire un peu de mécanique autour : il est donc placé à 5 mm de la baïonnette Canon arbitrairement.
Dans l'axe vertical, il est placé de manière tangente au rayon extrême du champ de plein lumière, il ne vignette donc pas le capteur. Ici, le prisme a une face d'entrée qui fait 10 mm de hauteur. Le coulant 2" indiqué est là pour montrer qu'un diamètre de tube porte-oculaire qui parait assez bien dimensionné n'est pas si grand que ça...

Ensuite, on trace le rayon passant par le centre de l'objectif et par le centre de la face d'entrée du prisme (R1) et on le prolonge jusqu'au plan focal. La cote de 22,02 est le décalage des centres de champ des capteurs, c'est une info utile quand on veut paramétrer son logiciel de carte du ciel pour faire afficher le champ de la caméra de guidage. Puis on trace les rayons du champ de pleine lumière sur l'axe (sans tenir compte pour l'instant de la taille du capteur de guidage). Ces rayons (R1 et R3) sont obtenus en joignant les bord de l'objectif au centre du champ de guidage. On constate déjà que ces rayons ne rentrent pas dans le prisme.... Donc rien qu'au centre du champ de guidage, on a du vignetage.

On voit ainsi tout de suite les atouts d'une solution de capteur de guidage situé à coté du capteur principal . Pas de prisme, pas de vignetage dans ce cas...

La taille du faisceau dans le plan de la face d'entrée du prisme de guidage fait ici 14,75 mm. On aurait donc tout intérêt à augmenter la taille du prisme en conséquence au risque de faire un peu de vignetage sur le capteur d'imagerie...
Si l'on pouvait mettre le prisme de guidage à l'intérieur du boîtier reflex, tout près du capteur de l'APN, pas besoin d'augmenter sa taille

A noter un petit détail intéressant, quand on construit le reflet du faisceau de guidage dans le miroir du prisme, on s'aperçoit que comme l'axe optique "central" de guidage n'est pas horizontal, son reflet n'est pas non plus vertical. 
Le reflet du capteur de guidage par le prisme nous donne la distance à laquelle il faudra placer la surface sensible de la caméra par rapport à l'axe optique, ici, on a un peu de marge.

Ne pas oublier de tenir compte de l'épaisseur de verre traversée dans le prisme et d'éloigner encore un peu le capteur de l'axe optique. La distance d'éloignement est donnée par la formule D=e(1-(1/n)) avec e= épaisseur de verre traversée (ici 10 mm), n= indice de réfraction du verre (1,5 dans le cas standard). On reculera donc le foyer de guidage d'encore 3,33 mm ici.

Maintenant, on va s'intéresser à la portion de l'objectif qui est vraiment utile à la formation de l'image de l'étoile guide sur le capteur. Pour ce faire, on va tracer les rayons R2' et R3' qui sont obtenus en partant du centre du capteur de guidage et en s'appuyant sur les bords du prisme pour tracer sur l'objectif la portion utile (les autres rayons ne rentrent pas dans le prisme, donc ils ne servent à rien..)

La portion de pupille utile ne fait plus que 67,8 mm de diamètre  alors que l'objectif faisait 100 mm au départ. On passe donc brutalement d'un rapport F/D de 4 à un rapport F/D de 5.9. Donc, là on perd de la lumière et on n'est toujours qu'au centre du champ !

Ici, on a ajouté une obstruction centrale de 30 mm sur cet objectif, équivalente à un miroir secondaire de 90 sur un télescope de 300... La surface utile sur l'objectif n'est plus qu'une couronne et le rapport F/D réel (recalculé avec la surface de l'objectif équivalent) augmente encore...

Ces figures permettent de toucher du doigt la relative complexité de conception d'un système de guidage hors d'axe. A moins d'acheter une solution toute faite et éprouvée il est préférable de faire cette petite étude pour vérifier l'adéquation d'un prisme et de sa position dans le cas optique précis qui vous concerne. Le risque que le prisme ne reçoive en finale que vraiment très peu de lumière est grand.
 
Un miroir secondaire ou un tube de porte oculaire trop petit peuvent empêcher le fonctionnement du plus beau diviseur optique qui soit !

Dans l'étude ci-dessus, on n' pas tenu compte d'éventuelles aberrations optiques pouvant limiter le champ utilisable hors de l'axe ne pas l'oublier.

 

Application à un cas concret : Prisme intégré DANS le boîtier d'un APN, un Canon 350D

Cette application m'a été inspirée par la formidable réalisation de "LBlanc" expliquée avec photos et commentaires bien clairs sur les forums Astrosurf et Webastro.
L'épaisseur de verre traversée a été prise en compte dans ce schéma, ce qui explique la défocalisation entre le faisceau principal et celui passant dans le prisme.

Il fallait du courage pour décortiquer et usiner ainsi son boîtier Canon mais le résultat en vaut largement la chandelle. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, le prisme à l'intérieur du boîtier (à 8,5 mm du plan d'appui de la bayonette) est très largement supérieur à la solution avec prisme extérieur montrée ci-dessus. En effet, au centre du champ, il n'y a aucun vignetage et le champ de pleine lumière du DO est même de 4,2 mm ! Le prisme fait ici 12,5 mm de coté. et  le faisceau est toujours à FD4. Le schéma montre que l'on utilise une partie du faisceau (même à FD4) qui est quand même relativement proche de l'axe optique, gage d'une très bonne qualité d'image.

Le prisme est à 11,3 mm en dessous de l'axe optique ce qui fait un axe de capteur à 19,3 mm du capteur principal, donnée utile pour paramétrer les logiciels affichant les champs des CCD et APN.

Bien sur, il y a des paramètres qu'il faut maîtriser notamment le tirage assez faible qui oblige à avoir un capteur de guidage très près de l'entrée de la boite.

Voir la réalisation : Prisme intégré dans le boîtier d'un Canon 350D

 

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