Oculaire Frangeur | Interférométrie Astronomie Amateur

Sommaire

Introduction

Difficile de résumer ici le résultat d’un échange aussi plein d’enseignements que ceux que j’ai pu avoir avec l’inventeur de l’interférométrie optique en astronomie.

Tout a débuté lorsque j’étais en poste au CNRS au laboratoire Kastler Brossel de l’École Normale Supérieure de la rue d’Ulm. Ma proximité géographique avec le collège de France m’a poussée à l’époque (2005-2013),à suivre de manière assidue les cours de celui a qui je doit, depuis mon plus jeune âge, mon obsession pour l’interférométrie, à savoir, le professeur Antoine Labeyrie.

Dès 2008, j’ai put modestement participer à l’élaboration de certains éléments du prototype de l’hyper télescope version « Ubaye », et ce plus particulièrement au travers de la fourniture des motorisations nacelles de type MCMTII que j’avais monté pour l’occasion, en vue de participer au projet. C’est au départ sur la recommandation d’André Rondi que le professeur Labeyrie m’avait contacté, suite à mes essais en interférométrie des tavelures au T60 du pic du midi. Ce dernier était intéressé par les camera EMCCD que j’avais réussi à me procurer pour effectuer mes premières manips amateurs en « Speckle Interferometry », technique qu’il avait mise au point dès 1974 au mont Palomar.

Après plusieurs échanges, notamment à la fin de ses cours au Collège de France, nous convîmes dans un premier temps de focaliser mon apport à l’installation de l’Ubaye, sur les motorisations. Puis de mon coté, ayant commencé de manière approfondie à travailler sur un interféromètre de type poutre, monté dans le fond de mon jardin, je me suis retrouvé rapidement confronté à ce à quoi Antoine travaillait avec succès depuis plusieurs années : le cophasage de 2 faisceaux avec un réglage minimal au niveau des miroirs primaires. Antoine, en 2012 et 2013, a développé un prototype de ligne à retard locale (insérée au niveau de la recombinaison, et non pas sur les miroirs primaires), qu’il à qualifié « d’oculaire frangeur », et dont le principe théorique extrêmement simple permet de procéder à l’égalisation des chemins optiques de 2 faisceaux directement dans le système de recombinaison et non pas sur les supports des miroirs primaires, comme cela peut être le cas dans des installations à 2 faisceaux (poutre ou I2T).

Le principe de l’oculaire frangeur disperseur

Nous avons vu dans la partie théorique liée à la poutre de Michelson, que la condition d’obtention des franges, en lumière blanche, est liée à une quantité physique appelée longueur de cohérence. Cette longueur de cohérence peut se résumer à la longueur pour laquelle, des ondes de longueurs d’ondes différentes, superposées, finissent par se brouiller au bout de quelque franges. Elle dépend directement du caractère monochromatique, ou plus exactement de la dispersion chromatique de la source observée, à travers un système permettant à un front d’onde d’interférer avec lui même.

Une description très complète de la notion de cohérence en optique peut être trouvée le cours d’optique d’Eric Aristidi sur ce lien et sur celui-ci pour le temps et la longueur de cohérence. Les courbes en rouge dans l’image précédente, correspondent à la somme des contributions respectives de chaque longueur d’onde du faisceau incident. L’image résultante des franges au foyer de l’expérience des trous d’Young est donc le produit de franges, par la PSF de chacune des ouvertures du masque. Le réseau de franges est à la base dépendant de la différence de marche à chaque point du plan focal. En particulier, la différence de marche au point origine des abscisses, c’est a dire sur l’axe optique, constitue le point ou l’intensité de la frange centrale est maximal, dans le cas monochromatique et aussi polychromatique. Mais dans le cas polychromatique, si le point P s’éloigne de l’axe optique, le maximum d’intensité des franges chute rapidement, et au bout de quelques franges, on se retrouve en teinte plate avec peu de franges dans le lobe principal …

Donc la taille de l’enveloppe se défini par le retard temporel entre l’onde passant par le trou numéro1 et la même onde passant par le trou numéro2. Cette différence de temps de propagation, correspondant à la différence de marche de chacun des deux faisceaux, et cette différence est inversement proportionnelle à Delta.v la largeur spectrale de la source. Or la différence de temps de propagation, que l’on peut aussi appeler différence de chemin optique, est quelque chose que l’on sait contrôler pour peu que l’on y associe un optique adéquate… Dans le cas des trous d’Young, la différence de marche nulle génère la frange brillante centrale sur l’axe optique.

Or le chemin optique dans un milieu d’indice optique n et d’épaisseur l est défini comme le produit n.l, donc si l’on insère sur le trajet du rayon 1 et sur le trajet du rayon 2 une épaisseur de verre donnée variable en épaisseur (voir plus loin),le chemin optique sur chaque trajet peut être différent, et la génération de la frange centrale correspondant à la différence de marche nulle, peut se situer hors de l’axe optique :

Ce qui est remarquable, c’est que là PSF des ouvertures reste centrée sur l’axe optique, mais la position de la frange centrale dépendant des égalisations de chemins optiques, peut elle se trouver sur l’une des positions de franges maximale hors axe. On peut donc artificiellement varier la position de la frange la plus brillante, ou à contrario, compenser une différence de marche en amont des trous (comme c’est le cas pour la poutre par exemple). Il apparaît donc que si l’on veut obtenir des franges, il est nécessaire que la différence de marche entre les rayons passant par les 2 chemins optiques soit inférieure à la longueur de cohérence Lc du front d’onde fabriquant les franges (une autre définition de la longueur de cohérence peut être trouvée ici). Pour procéder à l’égalisation des chemins optiques, un moyen simple consiste à utiliser 2 prismes Wedge (c’est a dire dont le profil est un triangle rectangle), que l’on déplace de manière symétrique le long de leurs hypoténuses. l’épaisseur de verre traversée par un faisceau arrivant perpendiculairement à l’un des grands cotés de cet ensemble, est donc continûment variable, et donc ajustable à l’épaisseur de verre traversée par le second faisceau qui lui à une épaisseur fixe. On peut donc par ce système, avancer ou retarder le front d’onde du trou 2 par rapport à celui du trou1…

La formule définissant la valeur de la longueur de cohérence en fonction de la longueur d’onde et de l’écart en longueur d’onde de par et d’autre de la raie centrale est la suivante :

Relation [1]

Si l’on regarde en détail les longueurs de cohérences associées a différentes largeurs de sources (en terme de longueur d’onde), on comprend tout de suite pourquoi la manip de poutre a fonctionné immédiatement à l’aide d’un laser :

On voit donc qu’un laser He-Ne classique tel que celui utilisé pour les premiers tests de poutre de Michelson, possède une longueur de cohérence de plusieurs dizaine de cm. Voila pourquoi les premières expériences sur étoiles artificielles ont fonctionné du premier coup (voir pages sur ma poutre de Michelson). Pour ce qui est de la lumière blanche, ont voit immédiatement la difficulté. la longueur de cohérence chute au voisinage du micron. Cela obligerait donc à ajuster la différence de chemin optique avec une précision de cet ordre de grandeur. Malgré cela, 2 solutions s’offrent à nous.

– La première solution consiste a filtrer de manière étroite pour augmenter la longueur. S’était mon idée de départ, un filtre Halpha de 7nm de largeur de bande permet un positionnement du M1 et du M4 à 7 centièmes de mm. Mais le problème reste que l’on perd la plus grande quantité de lumières injectée dans le télescope…. Quelques essais sur le ciel montrent que même sur des étoiles brillantes, imager à des vitesses rapides pour s’affranchir du brouillage par la turbulence, ne permet pas de travailler à faible flux avec des cameras classique (Les essais que j’ai fait ont été réalisés avec une Basler 640). A la date ou je rédige ces lignes, le challenge était possible avec une EMCCD, dont je disposait en prêt grâce à l’association T60 (observatoire du Pic du Midi). Malheureusement, toute chose ayant une fin, l’EMCCD est repartie vers ses légitimes propriétaires, il faut donc se tourner vers une autre approche.

– La deuxième solution est issue des discussions avec Antoine Labeyrie est des membres de son équipe (Erick Bondoux, David Vernet en tête). Antoine Labeyrie, soumis aux même contraintes que les miennes, à développé une idée consistant à condenser 3 fonctions Disperser chromatiquement les franges le long de l’axe perpendiculaire aux ouvertures [1], Redresser ces franges chromatiques en le parallélisant via une anamorphose [2], et corriger les chemins optiques directement au niveau de l’oculaire [3].

Nous avons vu par quel principe il est possible de contrôler la position de la frange centrale de réseau de franges, mais la longueur de cohérence du faisceau limite le nombre de franges en fonction de la dispersion spectrale de la source. On utilise donc un « grating prism » dispersant les franges selon un axe perpendiculaire à la droite reliant le centre des pupilles. La dispersion chromatique des franges le long de l’axe perpendiculaire aux ouvertures, et d’autant plus importante en fonction de la longueur de la longueur d’onde que l’écart entre les chemins optiques est grande. Autrement dit, si l’on regarde les franges dispersées, elles sont d’autant plus penchées que l’erreur de chemin est importante. Ce phénomène que l’on ne voit pas en lumière blanche (et pour cause, puisque toutes les couleurs superposent), apparaît évident quand on décompose les franges à l’aide d’un prisme (comme l’avais d’ailleurs remarqué Michelson dans son article fondateur) ou d’un réseau, dans une direction perpendiculaire aux pupilles d’entrée.

Cela se traduit entre autre par l’observation suivante, avec sur l’image la différence de marche (erreur sur le chemin optique) en abscisse et la longueur d’onde en ordonnée :

De plus la longueur de cohérence explicitée dans la relation [1] deviens avec R la résolution spectrale s’écrivant avec m l’ordre du spectre et N le nombre de traits au millimètre.

Une petite application numérique permet de voir que sur l’ordre 1, avec 1200trait/mm, R=1200, alors Lc = 0.78mm soit proche du mm sur la différence de marche. On voit tout l’intérêt de cette pièce optique! à minima, même si l’on dispose devant l’oculaire frangeur un système de recombinaison ayant de fortes abberrations mécaniques, on étend la longueur de cohérence de plusieurs ordre de grandeur. De l’aveu d’Antoine, sans cette astuce, ils n’auraient jamais put obtenir des franges à l’I2T de Calern dans les années 1970.

Cette idée de l’oculaire frangeur disperseur a été concrétisée dans un montage qui a été testé par Antoine Labeyrie au cours de l’année 2013 en laboratoire et en partie au cours de la saison d’observation de l’été 2013. En 2013, l’une des participante aux campagnes d’observations d’Antoine Labeyrie eu la merveilleuse idée de tourner la séquence vidéo suivante, au cours de laquelle Antoine décrit exactement l’instrument nécessaire à la poursuite de mes essais avec la poutre de Michelson. La vidéo suivante est extraite du film disponible sur le lien du laboratoire Lise et a été réalisée par Martine Roussel.

Figure 8 : Modèle original

Antoine Labeyrie m’a décrit avec moult détails le dispositifs qui devrait permettre, et à de plus, eu la gentillesse de m’envoyer le modèle informatique de l’ensemble du système modélisé en « Google Sketchup ». Voici quelques captures d’écran issues du schéma fonctionnel :

Les rayons issus du télescope arrivent de la gauche. Ils traversent la ligne a retard constituée des deux prismes wedges monté sur la double glissière pour l’un, et l’élastomère optique pour l’autre, comme expliqué dans la vidéo. Viens ensuite l’oculaire anamorphoseur puis le Grism, dispersant les franges. Vu de dessus, le schéma de principe est le suivant :

Vu de dessus, on constate qu’en sortie, les rayons sortent parallèles, ce qui constitue bien un oculaire standard, avec cette particularité de passer sur une lame a retard en amont et le système disperseur en sortie. En bref, ce système est exactement ce qui nous permettrait a terme de se passer d’un filtrage étroit et d’une EMCCD pour obtenir des franges sur une poutre comme celle déjà assemblée. Conclusions, peut-on faire aussi « Quick and Dirty » que ne l’a déjà fait Antoine Labeyrie, au sens ou avec les moyens du bord, et un peu de patience, on doit pouvoir arriver à monter un dispositif correct.

La réalisation

Pour démarrer, la premier step est de décomposer le travail entre la partie optique et la mécanique assemblée. Nous avons vu plus haut que le système se décompose en plusieurs parties :

[1] Le Grism

[2] L’oculaire anamorphoseur

[3] La ligne a retard à prismes Wedge.

[4] Le prisme à angle variable

[5] la mécanique

[6] l’électronique de pilotage des moteurs

La complexité de l’oculaire frangeur mérite d’être détaillée, car si l’on s’en réfère à la finalité du système, il s’agit tout bonnement de réaliser une véritable ligne à retard optique intégrée au volume équivalent d’un oculaire qui quoiqu’un peu volumineux, reste adaptable sur la plupart des télescopes amateurs. Un résumé rapide de la conception de l’ensemble complet, ayant nécessité plusieurs mois de conception et de réalisation, en vue à la fois de l’utilisation sur un télescope standard, mais aussi sur l’Hypertelescope de L’Ubaye est celui du schéma réalisé à l’aide du logiciel « Google Sketchup suivant :

Le corps principal de l’oculaire comporte en son sein un système optique double, constitué d’une lame à épaisseur variable (autour d’une valeur moyenne donnée) motorisée, permettant de faire varier le chemin optique sur l’une des deux pupilles. Le deuxième chemin optique passe, quand à lui par une lame prismatique motorisée, dont l’épaisseur est égale à la valeur moyenne d’épaisseur précitée, mais dont l’angle peut être lui aussi contrôlé de manière à assurer la superposition des pupilles lors de la recombinaison au foyer pour la génération des franges d’interférence. Ce corps principal est la partie la plus complexe de l’assemblage. S’en suis un oculaire « Galiléen » ayant pour propriété de provoquer une anamorphose des franges (compression sur un axe, et dilatation sur l’axe perpendiculaire), permettant d’améliorer d’une facteur 3 environ a lisibilité des franges. En dernier lieu viens se placer le Grism dans une bride prévue à cet effet, juste avant le système d’imagerie composé d’un achromat et d’une camera rapide. L’ensemble complet, ne dépasse pas un poid d’environ 900grammes.

Dans le détail, les étapes de fabrication furent les suivantes :

[1] Commençons par la fabrication du Grism.

Ces pièces, réalisées dans l’industrie, coûtent un bras. Conclusion, pas le choix, faut fabriquer… Le Grism utilisé par Antoine Labeyrie est un prisme à 45° avec un réseau en diffraction reporté sur l’une de ses façes. Le réseau est un composants que l’on peut se procurer pour pas très cher Chez Edmund optics. J’ai donc commencé par en- commander des réseaux 1000 traits par mm en diapo, par paquet de 10 (environ 16 euros pièces ref : 01-307). En fouillant dans les pièces optiques au fond de mon garage, J’ai remis la main sur une paires de jumelle achetée chez Lidl pour 15 euros, et que ma fille de 5ans (a l’époque), avait joyeusement fait tomber, brisant la colle de tenue des prismes d’alignements. Ces prismes devraient faire l’affaire. 4 coups de tournevis, et je me retrouve avec le matériel nécessaire à la confection des Grating prism. L’intérêt de cette combinaison est principalement de maintenir le spectre dans l’axe de l’objet observé.

Après plusieurs mois de séchage, ni bulle ni distorsions ne sont apparues dans l’assemblage réseau prism. Les images suivantes en témoignent :

Le scotch noir permet uniquement sur l’assemblage, de repérer la zone la plus homogène en épaisseur, ce qui se traduit par le minimum de distorsion du spectre, donc par la même des franges une fois étalées dans la direction perpendiculaire à l’axe des pupilles du système.Les courbes de de caractérisation du grism on été obtenues à 2 longueurs d’ondes (405nm et 638nm) avec l’aide d’un chercheur de mon laboratoire, en utilisant 2 lasers de puissance réglable, et un wattmètre optique accordable sur ces longueurs d’onde.

Le coefficient de transmission moyen est donc de l’ordre de 55%. Nous verrons plus loin comment ce grism est inséré au final dans l’oculaire frangeur, conformément aux recommandations de Michelson dans la publication des résultats de sa première poutre.

Nous avons donc choisi d’utiliser le Grism précédemment réalisé, dans une pièce mécanique récupérée d’un LHIRESIII non pour sa partie spectro, mais parce que la bride d’autoguidage intègre un achromat de courte focale (que l’on peut approvisionner lui aussi chez Edmund optics), que nous allons utiliser pour focaliser l’image en sortie du Grism directement sur la matrice de la camera.

Cette bride Grism s’insère directement sur l’anamorphoseur, et l’arête saillant du grism se trouve seulement quelques millimètres au dessus de la dernière lentille cylindrique de l’anamorphoseur.

[2] L’oculaire anamorphoseur permet de modifier la géométrie des franges dispersées afin de les rendre plus lisibles. Dans l’immédiat, la seule solution simple semble être, vu la structure des éléments optiques impliqué, d’acheter ces pièces dans le commerce. Cet oculaire est constitué de 2 lentilles cylindriques croisée (oculaire de Galilée), compressant l’image selon un axe, et la dilatant selon l’axe perpendiculaire, et dont les focales respectives sont de -50mm et -12.5mm (on peut commander ces pièces chez Edmund Optics). Ces pièces coûtent moins d’une centaine d’euros, et le site de ce distributeur est suffisamment explicite pour calculer les positions respectives de ces deux lentilles dans l’assemblage final. Le schéma de base d’Antoine, vu au début de cette page, permet de comprendre comment se fait le montage. Dans ce cadre, la seule opération délicate fut de raccourcir la longueur de la lentille de -50mm de focale, pour la faire passer de 25mm à 15mm de longueur (pour des raisons d’encombrement des systèmes de motorisation de la ligne à retard). Cette opération a été réalisée à l’aide d’une scie diamantée d’opticien, que l’on peut trouver dans tout les ateliers de lunettier correctement équipés.

Le gain obtenu sur l’échantillonnage des franges et d’environ un facteur 3. Du point de vue purement pratique, cet oculaire permet, en soi, d’obtenir des franges directement visibles à l’oeil en lumière blanche.

[3] Les lames Wedge sont aussi disponibles dans le commerce, mais soit en version « hublot », c’est a dire circulaires, soit en sur mesure (ce qui en fait aussi exploser le prix, y compris chez les sous traitants asiatiques low cost, j’ai fait faire des devis). Je me suis donc tourné vers la fabrication des prismes en plexiglass, via la technique décrite sur cette excellente page d’un bricoleur suisse : « Prismes en plexiglass » J’ai donc commencé par usiner à la fraiseuse des blocs de plexi de 10mmx25,4mm avec des angles de 5° et 10° (j’en ai fait un petit paquet tant qu’a faire, 4 pour chaque angles) :

La préforme est rugueuse au départ (image de gauche), et le polissage à été fait sur plateau tournant avec des abrasifs de polissage optique (9 et 3µm), sans aller jusqu’a l’oxyde de cerium qui attaque la surface et fait apparaître des rayures non présentent lors du passage au 3µm. Il ne faut pas se leurrer, on atteint pas un état de forme à lambda sur 10 (on voit au microscope l’état de réticulation du PMMA). On à malgré tout un état de surface optique propre, comme on peut le voir sur l’image de droite, ou le premier en partant de la droite, n’est pas encore poli. L’image optique obtenue est très propre, comme on peut le voir en suivant :

Les wedges tête bêche sont a priori prêts (épaisseur optique moyenne à 10°: 5.5mm, et à 5° : 3mm). Le polissage du plexiglas n’est pas aussi parfait que celui d’une optique en verre, il subsiste une légère diffusion, nous verrons au final sur le ciel dans quelle mesure ce phénomène est gênant.

La partie mécanique de cet ensemble fût la plus complexe à imaginer et réaliser. J’ai bénéficié pour l’occasion de l’aide d’une talentueuse collègue mécanicienne au CNRS, Sandra Bosio, et nous avons dans le cadre de la réalisation de ce projet, put mettre en place pour l’occasion, un partenariat avec le Collège de France et l’équipe d’Antoine, pour valider les différents éléments jusqu’a l’intégration à la nacelle de l’hypertélescope, en conservant l’idée de pouvoir l’utiliser aussi sur un télescope amateur. Une personne équipée d’un tour et d’une fraiseuse, et sachant usiner correctement ne devrait pas avoir de problème à reproduire les éléments mécaniques du système complet. Pour assurer un déplacement adéquat, à savoir symétrique entre le premier et le deuxième prisme, le long de deux axes parallèles, Sandra a trouvé une solution élégante, consistant à entraîner deux chariots montés sur des tiges filetées parallèles, à l’aide de 2 roues dentées. La première tige filetée tournant dans un sens, le pignon maître entraînera le second pignon à contre sens. Simple mais redoutablement efficace. Le pignon maître est lui même entraîné par un pignon d’entraînement raccordé à un moteur pas à pas. Le détail et les plans de la mécaniques sont disponibles plus bas.

L’image de droite nous montre les prismes montés (collage) sur leurs chariots. Les chariots sont montés sur des paliers élastomères glissant sur des guides en bronze. Bref, le montage est compact et parfaitement fonctionnel. 2 butées de fin de courses hardwares sont insérées sur l’ensemble afin de prévenir les erreurs de manipulations risquant de tordre l’ensemble.

[4] Le prisme à angle variable constitué d’une épaisse couche d’élastomère transparent (à indice optique proche de celui du verre, que l’on trouve chez Leroy Merlin), inséré entre 2 lames de microscope taillées aux dimensions de la projection de la pupille dans l’oculaire, permettra de compenser le décalage des images le long de l’axe perpendiculaire à la poutre de Michelson (le deuxième axe étant compensé par le focus du télescope). Le montage est le suivant :

Après collage, il n’apparaît plus d’interface optique entre le verre et l’élastomère. Au bout de 24h de séchage, la souplesse de l’élastomère permet de faire varier la position d’une image de +/-4° autour de la position médiane. Le petit ressort de récupération permet d’effectuer un rappel en compression pour maintenir les lames de microscope écartées. Le réglage se fera par pression sur lame supérieure. Les clichés précédents montrent le prisme souple monté sur un support mécanique de maintien dans le corps principal de l’oculaire frangeur, mécanique que nous allons détailler maintenant.

Le support de prisme élastomère à angle variable, commandé lui aussi par un moteur pas à pas. Il s’agit d’un système constitué d’une « pince » enserrant les lames de verre contenant l’élastomère, de manière à faire varier l’angle du prisme de quelques degrés autour de la position centrale (correspondant aux faces des lames de microscope parallèles). Les pièces de ce sous ensemble, bien que de forme un peu complexes, assurent un maintien correct du sandwich verre/élastomère/verre, et la pression est exercée par un écrou borgne dont la partie ronde presse la lame de verre mobile sur quelques millimètres (la lame opposée étant fixe).

Le montage wedge et prisme élastomère sont montrés cotes a cote sur le cliché de droite. L’élastomère présenté ici est une des premières versions testée de colle, il a depuis été remplacé par un assemblage définitif ne présentant pas de défaut. On peut remarque que la fenêtre du prisme élastomère est de 10mmx10mm. Cette taille de fenetre permet, vu la backfocus de l’optique complète, de ne pas avoir de problème de vignetage de la sous pupille correspondante dans un télescope dont l’ouverture est supérieure à F10.

Comme pour le montage précédent, une butée électrique a été mise en place en compression, afin de garantir de ne pas briser la lame de verre. L’élément le plus complexe de l’ensemble, du point de vue de l’usinage, reste le corps principal de la ligne à retard complète (prismes Wedges + prisme élastomère). La modélisation en CAO, ainsi que la gamme d’usinage à été un vrai casse tête, mais la beauté de la pièce en vaut la chandelle. Il est probablement possible de concevoir un corps sur une forme plus simple qu’un cylindre. Malgré tout, l’ensemble est calculé pour ne laisser que deux dixième de millimètre entre les optiques. Après assemblage de ces dernières, on obtiens :

Monté derrière un renvoi coudé, ça commence à ressembler à quelque chose. Reste donc pour la partie mécanique la Bride Camera permettant le réglage d’axe par translation de l’ensemble camera ou d’un oculaire.

Après examen attentif de la partie optique en aval, je me suis aperçu que le backfocus de la camera était plus important que prévu, par rapport à la focale de l’Achromat d’origine inséré dans la bride. J’ai donc adjoint sur la Basler (modèle Ace 640 – 100gm) une lentille de Barlow Celestron 2x. Le réglage de cet ensemble est relativement simple, dans la mesure ou il s’agit d’une lunette complète, dont la mise au point se fait sur l’infini (image de droite, test effectué sur des arbres à 200m).Dans un premier temps, le Grism n’est pas monté, afin de vérifier lors des tests les fonctionnalités liées aux différents organes de l’oculaire (déplacement des optiques, centrage des spots issus des pupilles, etc…).

Quid maintenant de l’électronique faisant ressembler le montage à une usine à Gaz.

Pour la partie électronique de contrôle des optiques, les moteurs employés sont des moteurs pas à pas unipolaires 64 pas par tour, disposant d’un motoréducteur de 1/64 soit 4096 pas par tour, approvisionnés chez Gotronic, ainsi que les drivers (uln2003), et ce pour la modique somme de 8 euros TTC pièce… La carte de commande est un Arduino Uno, coûtant 25 euros chez le même fournisseur. Après quelques jours d’exploitation, il est simple de développer une petit application sur l’Arduino, permettant de commander les moteurs indépendamment dans les deux sens, tout en tenant compte des butées Hardwares montées dans chacun des deux systèmes d’optique variable. J’ai donc dessiné une carte (disponible au format Eagle) permettant de gérer correctement la connectique de l’ensemble.

Ce module assure la liaison en mode série, pour le pilotage des moteurs à l’aide de la réception des caractères Z et W pour les prismes Wedges et Q et S pour le prisme à angle variable (le programme Arduino est disponible ici). L’ensemble à ensuite été inséré dans une boiter sur mesure, fait a l’imprimante 3D.

Premiers tests sur le ciel

Les tests optiques en vision directe et sur le ciel ont étés réalisés à l’aide du C8 motorisé par une MCMTII m’ayant servi au tests de ma poutre de Michelson. Afin de simuler une pupille d’entrée correspondant à l’arrivée de 2 faisceau issus de l’étoile, j’ai disposé à l’entrée du télescope un masque à 2 trous, m’ayant mainte fois servi à reproduire l’expérience des trous d’Young. L’idée étant ici, alors que l’égalisation des chemins se fait naturellement à l’arrivée des rayons au foyer du télescope, de perturber l’un des chemins optique afin de sortir les franges de la limite définie par la longueur de cohérence. Dans les faits, lors de la mise en place de l’oculaire frangeur au foyer, l’épaisseur de verre traversée au niveau des prismes wedges n’est pas connue. Il n’y a donc aucune raison que cette dernière soit égale, à la longueur de cohérence près, au chemin optique du faisceau passant par l’autre pupille d’entrée (et traversant le prisme élastomère). Il s’agit donc dans un premier temps de superposer les 2 PSF obtenues l’une sur l’autre (commander la collimation avec la mise au point et l’angle du prisme souple), et dans un deuxième temps modifier l’épaisseur de verre traversée pour retrouver les franges. La première série de test à permis de valider la mécanique, le système de pilotage des optiques, ainsi que la chaîne d’imagerie :

Le test de visualisation camera (Barlow incluse) donne pour la PSF d’une pupille unique, mise au point faite, l’image suivante (format de prise de vue 500×400) :

Voila donc ce à l’intérieur de quoi il va falloir aller chercher des franges en lumière blanche !! On remarque aussi que l’anamorphose joue sont rôle et que la PSF est allongée sur l’axes correspondant à l’alignement des ouvertures du masque. Toujours sur l’étoile Arcturus, à 50ms de temps de pose avec la Basler Ace 640GM, a permis de teste la superposition des PSF, après une mise au point correcte :

Par masquage, on peut constater que le spot du bas correspond au chemin par le prisme élastomère, et le spot du haut au chemin par les Wedges. Les Wedges utilisés sont ici les prismes Wedges en plexiglass. La sensibilité de la position des PSF à la turbulence est évidente, et semble plus importante dans l’axe de la mise au point que dans l’axe de la compensation par le prisme élastomère. Une vidéo filmée à 25 images secondes, toujours sur Arcturus, avec un Canon 1200D montre le phénomène :

Figure 27 : Mouvement des deux PSF

Le troisième test sur le ciel à donc permis de valider définitivement les motorisations de superposition des 2 PSF, comme peuvent l’attester les images suivantes :

Les trois images présentées ici, montrent l’effet du décalage des spots par la mise au point. A gauche en intra-focal, au milieu alignement correct au regard de la mise au point, à droite en extra-focal. Lorsque l’on se place dans le cas de l’alignement des spots par la mise au point de l’image du milieu, une action sur la commande du prisme élastomère permet d’assurer la superposition :

Il est donc possible, avec ce système, de collimater correctement les 2 pupilles en lumière blanche, sans interventions sur le télescope (l’ensemble étant télépiloté) ou éventuellement sur la poutre. Après superposition des spots, on voit parfaitement l’augmentation de l’intensité cumulée, mais pas de franges, et pour cause nous n’avons pas encore procédé à l’étape ultime, consistant à faire varier le chemin optique. J’ai donc procédé au balayage contrôlé de l’épaisseur de verre traversée par la pupille Wedge, en espérant obtenir des franges en lumière blanche, sachant que le pas de contrôle de l’épaisseur par les moteurs pas à pas est suffisant pour balayer la zone de superposition des longueurs de cohérence de chaque chemin optique.

Et là, le miracle s’est produit : Dès le premier essais, les franges sont apparues. L’amplitude de balayage en épaisseur des lames wedges est d’environ 3mm, après avoir placé les prisme dans une position avoisinant la moyenne en épaisseur du prisme élastomère, j’ai réduit cette épaisseur en continu jusqu’a obtenir les franges d’interférences, ces dernières étant visibles sur seulement quelques pas moteurs. Je n’ai pas fait de mesure quantitatives, mais cette faible variation d’épaisseur correspond du point de vue théorique au balayage de la superposition des zones de cohérence.

Rien à dire, les franges sont bien là. Toutes les images dont les extraits présentées ci dessus sont des agrandissement d’un facteur 2, et dont les seuils de visualisation sont resserrés en fonction de l’histogramme de chaque images. A noter que la dynamique des franges est de l’ordre de 40 ADU pour cette camera, utilisée pour le moment en 8 bits. Détails de prise de vue : Basler Ace 640 100gm 150ms de temps de pose (pour cause de légère brume). En mode drizzle, le facteur de grandissement est x2.

Les vidéos suivantes, prises au Canon 1200D (le soft de visualisation de Basler sous linux, utilisé à l’époque, ne permettant pas de sauvegarder des captures videos), montrent les franges avec une cadence à 6 images/secondes

Figure 31 : Franges Vidéo 1

Figure 32 : Franges Vidéo 2

On peut remarquer que le nombre de franges obtenues est de l’ordre d’une dizaine. Si l’on considère le fait que pour un nombre de franges Nf, la longueur de cohérence Lc=l .Nf on compte une dizaine de franges dans la PSF donc Lc = 0.55e-6*10 = 5.5microns, or le pas de déplacement des moteurs permet des déplacements de l’ordre de 2 à 3 microns lors du balayage. Or, en effet, on constate que la visibilité des franges est effectives sur seulement quelques pas de déplacement des Wedges.

Reste donc à agrandir cette zone de visibilité des franges, via le Grism, mais je n’ai pas eu le temps d’aller jusque là.

Malheureusement (mais quelque part je peut aussi dire « heureusement »), le succès de cet essai à amené Antoine Labeyrie et Denis Mourard à considérer avec un grand intérêt cette réalisation. A tel point que ce développement fait à la fois dans un cadre professionnel (j’ai en effet fait établir une convention de partenariat entre mon laboratoire de physique et l’observatoire de la cote d’azur et le collège de France, ce qui m’a permis de dégager du temps de développement instrumental) mais avec des implications au niveau amateur, s’est retrouvé dans leur main à compter de juillet 2016. L’oculaire frangeur numéro 1 à été intégré dans le design de la nacelle de l’hypertélescope.

Il m’a fallut donc envisager d’en réaliser une deuxième version, ce qui prend énormément de temps. Il m’a fallut 2 ans pour en faire un second exemplaire, dont la description est disponible en suivant.

Réalisation et test du second exemplaire

C’est au bout de deux ans de boulot, intercalé avec mes autres projets, que l’essai de validation de l’exemplaire n°2, après quelques dizaines d’heures d’usinage (fraisage, tournage….) à fini par donner ses premières franges en novembre 2018.

Il s’agit dans le détail du frangeur que j’ai présenté lors de la commission des étoiles doubles de la société Astronomique de France ayant eu lieu a Rodez le 29/09/2018 et dont la présentation est disponible ici

Les plans d’ensemble sont montrés en suivant, et le principe de chaque sous élément est décrit dans la page de l’exemplaire n°1 (Merci à Sandra Bosio pour l’aide à la conception !! ) :

Les plans détaillés par pièces sont disponible en m’écrivant directement à btregon at club-internet.fr L’ensemble des pièces a été réalisée avec tour et fraiseuse conventionnelle, donc un bricoleur bien équipé peut s’en tirer (j’ai appris pour l’occasion l’utilisation de la pinnule de centrage, c’est redoutable de précision 🙂 )

L’ensemble des pièces à acheter n’est pas très coûteux pour qui a envie de se lancer….. La nomenclature complète est la suivante (total 320 euros environ) :

Ajouter l’aluminium (ici récupéré dans des chutes diverses), quelques résistances pour le boitier de commande des moteurs, et pas mal d’heures de travail

Première étape, la duplication des prismes souples (une trouvaille à Antoine) sur base de lame de microscope découpées en largeur de 10mm, et une colle dont je ne fait pas la pub, mais incroyable pour ses propriétés optiques :

Le procédé de dépose à la seringue est quelque peut aléatoire, il est donc intéressant d’en faire un nombre d’exemplaire suffisant pour sélectionner celui qui comportera le moins de bulles, et donc qui aura la diffusion de la lumière la plus faible. Les lames cibles sont scotchées sur un plan horizontal, avec 3 lames de microscopes comme cale d’épaisseur. Après injection et 24 heures de séchages, découpe au cutter.

Dans l’ordre sur la figure 34, Calage des lames de microscope à l’aide de 2 lames entières (horizontales) suivi de l’injection de la résine transparente, puis découpe des prismes au cutter avant sélection des prismes sans bulles.

S’en suis la grosse étape technique de la réalisation des systèmes de déplacement.

Reconstruction de la partie électronique. Sur une base d’Arduino Uno, j’ai simplement rajouté une carte que j’ai conçue pour faire la liaison entre l’Arduino et les moteurs. Les commandes de déplacement sont assurées par le clavier du PC (touches z et w pour les prismes wedges, et touche q et s) pour le prisme souple.

Assemblage final : le boîtier orange n’est pas utile, mais je l’ai récupéré des pièces qu’Antoine et sont équipe m’ont renvoyé. Il s’agit d’un mini PC de type BananaPi, gérant les cameras de type GigaEthernet. En l’occurrence, si j’ai un jour une camera de ce type, je m’en servirai, mais actuellement, je dispose maintenant d’une ZWO ASI224, cela se pilote directement avec le PC de pilotage des moteurs, donc le BananPi n’a aucune utilité immédiate.

Reste le montage de l’oculaire anamorphoseur (permettant de compresser les franges verticalement, et de les dilater horizontalement, améliorant leur lisibilité). Cet Oculaire produisant une image a l’infini, il est associé à un Achromat et une lentille de Barlow insérés dans la « bride achromat » afin de focaliser une image sur la matrice de la caméra en aval :

Figure 38 à gauche, l’oculaire anamorphoseur déjà décrit précédement. Au milieu, la bride Achromat sur laquelle est fixée la lentille achromatique Edmund Optics, de 27mm de focale, et dont la référence est donnée figure 32. Pour finir, la bride de fixation de la camera. Comme déjà décrit, je fourni les plans sur demande.

Test de validation fait le 17 Septembre 2018 (pas de photos de l’installation, qui s’est faite de nuit, mais les vidéos sont parlantes) : Conditions de prise de vue : C8 muni d’un masque à deux trous (40mm de diamètre). Focale supérieure à 5 mètres (à recalculer grâce à l’échantillonnage). Caméra ASI224 pose 22ms gain 400 (un peu long mais suffisant pour avoir du flux. Cible : l’étoile Aldébaran magnitude 0.9

Figure 40 : Travail de superposition (focus/prisme souple)

La vidéo de la figure 40 nous montre le travail de superposition des deux images, correspondants au chemin des trous 1 et 2 du masque. é déplacements horizontaux sont assuré par la mise au point du C8. C’est d’ailleurs pour cela que l’on voit l’ensemble de l’image trembler fortement, la MAP ayant été faite à la main sur la molette de mise au point. On pourra remarquer, d’ailleurs, le « shift » caractéristique de la MAP des télescopes Schmidt-Cassegrain lors de l’inversion de sens. Le prisme souple quand a lui, assure un déplacement vertical, beaucoup plus doux, jusqu’a la superposition des deux spots.

Figure 41 : Recherche des franges avec les prismes wedge

Une fois la stabilisation des franges, et le réglage de l’alignement du masque avec les prismes de réglage des chemins optique (prismes Wedges et prismes souples), on obtient des franges biens nettes dont ont peut a loisir moduler la position par rapport à l’enveloppe des PSF

Figure 42 : modulation de position avec les prismes Wedges

Conclusion

Le fonctionnement de l’oculaire frangeur n°2 est donc validé en date du 17/11/2018….

Cette ligne a retard intégrées dans un oculaire fonctionne, l’étape suivante a donc été d’obtenir des franges en compensant l’erreur de chemin optique sur un premier montage permettant d’augmenter la séparation, la poutre de Michelson que nous avons réalisée et dont les premiers résultats sont disponibles sur ce site via la table des matières sur la page « Interféromètre amateur à poutre de Michelson »

Mais l’utilisation de cet oculaire frangeur ne se borne pas a ce prototype de poutre. Il pourrais tout a fait être employé pour assurer le réglage fin de la différence de chemin optique dans le cadre du couplage de deux télescopes amateurs. L’avenir nous le dira….


Figure 3 : Effet de la dispersion chromatique sur la longueur de cohérence (Crédits Éric Aristidi)


Figure 6 : Extrait de la publication de Michelson et Pease sur la dispersion des franges


Figure 7 : Dispersion Chromatique des franges (Franck Martinache 2005)


Déplacement prisme Wedges	Déplacement prisme souple
Figure 35 : Système mécanique de controle des optiques


Figure 11 : Nomenclature