Conception optique APQ
Nous estimons que les capteurs CMOS les plus récents exigent des conceptions optiques innovantes capables de répondre à des exigences de qualité d’image toujours plus élevées.
Les observateurs visuels bénéficient eux aussi des nouveaux Fluorite Quadruplet Polychromats : contrairement à la plupart des apochromats, leur rapport de Strehl ne chute pas vers ou sous la limite de diffraction aux extrémités du spectre visible.
La conception optique de nos nouveaux objectifs astronomiques est présentée en détail ci-dessous. Elle a été développée par Uwe Laux, Dipl.-Ing. (FH) en optique technique (pour plus de détails, voir Laux, Uwe : Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. 3e édition révisée et complétée, 2017, p. 146–155 ainsi que la demande de brevet correspondante).
- Objectifs
- Quadruplet
- Strehl
- Blocage
- Professionnel
- Couplage à l’huile
- Traitement AR
- 150/1200
- Conceptions
Lors du développement d’une nouvelle génération d’objectifs astronomiques, il est rapidement apparu que la conception classique conception apochromatique triplet ne peut exploiter qu’une partie de la plage spectrale UBVRI complète (365 nm – 1014 nm) des capteurs électroniques modernes (CCD, CMOS).
Notre objectif pour la nouvelle génération était donc de développer une conception capable d’assurer une imagerie pratiquement exempte d’aberrations sur cette large plage spectrale. Plusieurs conditions doivent être réunies pour y parvenir.
Lire la suiteDans un apochromat triplet de pointe, l’erreur de Gauss (sphérochromatisme), particulièrement gênante, ne peut pas être entièrement corrigée.
Ce n’est que lorsque la condition des sinus ou condition d’isoplanétisme est satisfaite qu’un système optique peut former une image corrigée des aberrations. Un tel objectif est qualifié d’aplanétique.
La qualité d’image polychromatique n’est pas artificiellement modifiée ni rendue plus favorable par le calcul, car cela n’améliorerait pas la correction optique elle-même. Le système optique est au contraire optimisé de 365 nm à 1014 nm à l’aide d’une table de longueurs d’onde affectant à chaque longueur d’onde un facteur de pondération identique de 1.
Il en résulte un système de base polychromatique à quatre éléments dans lequel l’élément CaF₂ est protégé entre deux éléments en verres optiques spéciaux.
La configuration à quatre éléments de l’objectif polychromatique convient particulièrement aux lunettes de plus grande ouverture, d’environ 130 mm et au-delà. Elle permet une correction particulièrement efficace de l’aberration chromatique longitudinale et du sphérochromatisme.
Lire la suiteL’aberration chromatique longitudinale présente le comportement caractéristique d’une correction polychromatique : la courbe traverse le plan image moyen à plus de trois longueurs d’onde.
Cette conception optique atteint pleinement notre objectif d’une qualité d’image limitée par la diffraction, exprimée par un rapport de Strehl ≥ 0,9 sur la plage spectrale de 365 nm (UV) à 1014 nm (IR).
Une demande de brevet pour le nouveau système et la nouvelle conception optiques a été déposée auprès de l’Office allemand des brevets et des marques (DPMA) sous le titre Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs, numéro de dossier 10 2016 123 732.9.
Pour l’observation visuelle et l’imagerie CCD, la conception assure une imagerie presque exempte d’aberrations. Les images sont lumineuses et pratiquement exemptes d’aberration chromatique, d’astigmatisme, de coma, d’aberration sphérique et d’erreur de Gauss, permettant à la résolution d’approcher la limite théorique.
Pour l’observation planétaire exigeante en particulier, la qualité d’image brillante, détaillée et à fort contraste autorise de très forts grossissements et rend manifeste l’avantage optique par rapport aux systèmes apochromatiques conventionnels.
Contrairement à la plupart des apochromats, le rapport de Strehl ne chute pas vers ou sous la limite de diffraction aux extrémités du spectre visible, comme l’illustre la normalisation suivante sur la plage spectrale de 436 nm à 707 nm :
L’exceptionnelle qualité d’image du Polychromat à quatre éléments comme système de base permet de le combiner à des correcteurs de champ et à des systèmes modifiant la focale tels que les systèmes Barlow et les correcteurs-réducteurs focaux.
La plage de longueurs d’onde utilisable s’étend de 365 nm à 1014 nm et est donc jusqu’à trois fois plus large que la plage spectrale visuelle limitée des objectifs apochromatiques classiques à doublet et triplet (typiquement 436 nm – 656 nm et 480 nm – 707 nm, respectivement).
Cela donne aux utilisateurs accès, dans l’UV comme dans l’IR, à des portions supplémentaires importantes de la plage spectrale UBVRI utilisable des capteurs CCD et CMOS modernes présentant de grandes diagonales d’image, un grand nombre de pixels et une efficacité quantique élevée.
Il convient de souligner que la plage de longueurs d’onde utilisable du nouveau Fluorite Quadruplet Polychromat correspond étroitement à la plage de sensibilité spectrale des capteurs CCD et CMOS modernes.
Cela ouvre de nouveaux domaines de recherche et d’observation en rendant accessibles dans l’UV et l’IR des structures qui ne sont pas visibles dans le domaine spectral visuel conventionnel.
Les objectifs apochromatiques à doublet et triplet en fluorophosphate et CaF₂ nécessitent généralement des filtres de blocage UV/IR pour supprimer les composantes spectrales situées hors de leur plage visuelle optimisée.
Comme ces apochromats sont conçus pour le domaine spectral visible, les composantes spectrales situées hors de cette plage doivent généralement être filtrées afin d’obtenir une image suffisamment nette.
Lire la suiteÀ l’inverse, avec les Fluorite Quadruplet Polychromats, de tels filtres de blocage UV/IR sont non seulement inutiles, mais peuvent être contre-productifs, puisqu’ils éliminent des informations spectrales de l’objet observé.
À partir de la conception de base à quatre éléments, il est possible de dériver des Polychromats avec des rapports focaux de f/1 à f/8 en ajoutant des éléments, en remplaçant les milieux de couplage fluides optiquement transparents par des espaces d’air, en utilisant des surfaces verre-air asphériques ou en substituant aux verres optiques conventionnels des milieux cristallins et autres milieux optiques spéciaux.
Lire la suiteLes applications de ces Polychromats spéciaux comprennent les astrographes et d’autres systèmes avec des plages spectrales utilisables de 320 nm à 2500 nm, tels que des spectrographes échelle spécialisés, des systèmes réducteurs de focale et des systèmes de caméra pour l’astronomie professionnelle moderne.
L’assemblage couplé à l’huile, utilisant un milieu fluide optiquement transparent entre les éléments de lentille, offre plusieurs avantages par rapport à une construction conventionnelle à espaces d’air :
L’huile de couplage empêche les contraintes induites thermiquement entre les éléments de lentille adjacents.
Le film d’huile empêche l’inclinaison relative des surfaces telle qu’elle peut se produire avec un espace d’air.
Lire la suiteUn plus faible nombre de surfaces verre-air réduit la lumière parasite et augmente la transmission du système optique.
Le système optique s’adapte plus rapidement à la température ambiante, ce qui améliore son comportement thermique.
Les traitements antireflet (AR) conventionnels ne correspondent pas pleinement aux performances spectrales étendues des objectifs polychromatiques, car ils sont généralement optimisés uniquement pour le domaine spectral visible.
Nous avons donc fait développer un nouveau traitement AR ultra-large bande pour les Fluorite Quadruplet Polychromats, caractérisé par une réflectivité résiduelle moyenne R extrêmement faibleAVG de < 0,7 % sur l’ensemble de la plage spectrale de 365 nm (UV) à 1014 nm (IR).
Dans la version avec une asphère et sans intervalle d’air, le Polychromat à quatre éléments ne comporte que deux surfaces verre-air externes. Avec le traitement AR ultra-large bande, cela réduit les réflexions résiduelles à un minimum physique.
Lire la suiteLa combinaison du CaF₂, avec sa forte transmission de l’UV jusqu’à l’IR, et d’une construction couplée à l’huile sans espace d’air augmente encore la transmission du système et minimise les réflexions.
La technologie de traitement AR actuellement disponible limite la plage spectrale utilisable en pratique à 365 nm – 1014 nm.
Des traitements AR spéciaux pour l’UV ou l’IR peuvent être proposés en option pour des applications spécialisées.
Un Fluorite Quadruplet Polychromat peut être réalisé dans différentes configurations. Les différentes possibilités de mise en œuvre ne peuvent pas être détaillées ici ; nous renvoyons donc à la demande de brevet correspondante.
La variante de conception présentée ici, entièrement couplée à l’huile APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat avec une asphère, une ouverture libre de 150 mm et une focale de 1200 mm, correspond à la configuration des premiers prototypes fabriqués.
La courbe du Strehl en fonction de la longueur d’onde montre qu’un rapport de Strehl ≥ 0,9 s’étend au-delà de la plage spectrale de 365 nm (UV) à 1014 nm (IR).
Elle démontre également une très bonne correction polychromatique de l’ultraviolet à l’infrarouge, avec des performances limitées par la diffraction de 365 nm à au moins 1365 nm.
La plage de longueurs d’onde théoriquement utilisable de cet objectif polychromatique à quatre éléments dépasse 1000 nm et est donc trois à quatre fois plus large que celle des apochromats conventionnels à doublet et triplet.
En pratique, la technologie de traitement AR actuellement disponible limite la plage spectrale utilisable à 365 nm – 1014 nm.
Lire la suiteDans la plage de longueurs d’onde de 365 nm à 1365 nm, le système APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat avec une asphère présente un rapport de Strehl polychromatique de 0,988 et une plage maximale de déplacement du foyer de ±0,007 % :
De 365 nm à 1014 nm, le rapport de Strehl polychromatique est de 0,988 et la plage maximale de déplacement du foyer est de ±0,003 %.
Avec la fabrication des deux premiers prototypes du système couplé à l’huile APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat avec une asphère, une ouverture de 150 mm et une focale de 1200 mm, nous nous sommes fixé un objectif très ambitieux.
L’architecture à quatre éléments – avec ou sans asphère, entièrement couplée à l’huile ou avec espaces d’air, et avec des rapports focaux allant de f/5,6 (f/3,9 avec un correcteur-réducteur focal 0,7×) à f/15 (comme objectif de remplacement pour la lunette Coudé AS 150/2250) – offre une grande flexibilité de conception pour les applications visuelles et photographiques.
Après avoir apporté avec les premiers prototypes la preuve pratique de la faisabilité du APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromatnous continuerons à élargir notre gamme.
Cela comprend des ouvertures plus petites ainsi que, tout particulièrement, des ouvertures plus grandes, avec des options de rapport focal et de traitement AR lorsque cela est techniquement possible.
Le tableau suivant présente plusieurs configurations possibles de Fluorite Quadruplet Polychromat qui atteignent un rapport de Strehl polychromatique > 0,95 sur la plage spectrale de 365 nm à 1014 nm pour différentes valeurs de rapport focal.
(mm)
(mm)
(%)
1 D…Ouverture
2 f…Focale
3 D/f…Rapport focal
4 Sp…Rapport de Strehl polychromatique
5 LCA…Plage maximale de déplacement du foyer