Club d’Astronomie de Lyon Ampère

Le deuxième élément : l ’oculaire

mardi 9 août 2005 par Jean Paul Roux

Le premier élément d ’un instrument astronomique est l’objectif (il peut être composé de lentilles pour une lunette, de miroirs pour un télescope ou d ’une combinaison des deux pour les systèmes catadioptriques).C ’est donc lui qui détermine les caractéristiques fondamentales de l’instrument, par son diamètre et son principe optique:résolution, magnitude limite, champs... Mais, pour une utilisation visuelle, l’objectif ne donne pas d’image directement exploitable par l ’oeil, c’est là qu’intervient le deuxième élément : l’oculaire. Bien que fondamental, l’oculaire n’a retenu que peu d’attention et la littérature sur ce composant est malheureusement assez réduite.

Oculaire de 40mm de l ’observatoire

La différence majeure entre un objectif et un oculaire est l’angle d’image qu’il doit couvrir. En contraste avec un objectif qui ne dépasse que rarement 2 °, l’angle d’image d’un oculaire peut dépasser 80 °. Par conséquent, la correction des aberrations hors-axe devient prépondérante. Selon les caractéristiques de l ’instrument, les contraintes de l’oculaire ne seront pas nécessairement les mêmes. Un des critères principaux est certainement le rapport F/D de l’objectif qui engendre un cône d ’ouverture plus ou moins ouvert auquel sont très sensibles les oculaires. Plus le rapport F/D est faible, plus les corrections de l ’oculaire doivent être poussées. Les oculaires les plus simples fonctionneront parfaitement bien si le f/d instrumental est élevé, par contre les aberrations deviendront rédhibitoires avec des f/d inférieurs à 6.

Les principales aberrations optiques des oculaires

- L’aberration chromatique latérale ou de grandissement (variation du grandissement en fonction des couleurs à ne pas confondre avec l’aberration chromatique longitudinale) doit être bien corrigé afin d’éviter l’apparition de bandes colorées autour des objets et d’autant plus que l’on s’éloigne de l ’axe optique.

Aberration sphérique de la pupille de sortie (ici sur un Nagler)
La plus petite section incluant tous les
rayons est de 3.5mm.Si la pupille de
’observateur est inférieur à cette valeur,
il y aura apparition d ’ombres volantes.
Source:Telescope Optics de Rutten &Van
Venrooij


- L’aberration sphérique reste fort dépendante du rapport f/d primaire.
- L’astigmatisme et la courbure de champs sont les aberrations les plus difficiles à corriger d’autant plus qu’elles sont généralement inversement liées (ex:une correction de la courbure de champs entraîne souvent une augmentation de l ’astigmatisme et vice versa). La plupart des constructeurs préfèrent un champ plan mais acceptent par conséquent un léger astigmatisme résiduel. Une légère courbure de champs n’est pas nécessairement dramatique et pourra être compensée par l’accommodation oculaire de l ’observateur afin de voir une image simultanément nette du centre au bord du champ (la puissance nécessaire de l’accommodation sera inversement proportionnelle à la longueur focale de l’oculaire, ce qui signifie que plus la longueur focale de l’oculaire augmentera, moins l’oeil aura à faire d ’effort d’accommodation pour une courbure de champs donnée)
- La distorsion correspond à une déformation géométrique de l’image. Par exemple l’image d’un carré sera incurvée (distorsion en barillet) ou bombé (distorsion en coussinet). La distorsion peut être gênante lors de la présence de lignes droites (cas de la photographie d ’architecture) ou la moindre déformation saute aux yeux, mais devient très peu visible dans le cas de l ’observation astronomique. Par contre, si des mesures de position (astrométrie)sont nécessaires, une bonne correction de la distorsion devient nécessaire afin de ne pas fausser ces mesures.
- L’aberration sphérique de la pupille de sortie : Il ne s’agit pas en fait d’une aberration dans le sens littérale, parce qu’elle n’influence pas le piqué de l ’image. Il s’agit simplement d ’un glissement de position de la pupille de sortie au fur et à mesure que le champ apparent s’élargit, ce phénomène deviendra donc d’autant plus sensible que le champ apparent s’élargira et que la focale sera élevée. Comment se manifeste cette aberration ? L’observateur aura des difficultés à positionner son œil pour englober tout le champ et pourra s’étonner de voir des zones sombre mobile lorsque le regard se promènera sur le champ apparent ! Ce phénomène est appelé « ombres volantes ». Il est particulièrement visible en observation diurne du fait de la diminution du diamètre de la pupille de l’œil qui ne permettra plus d ’intercepter l’intégralité de la pupille de sortie.

Les différents types d ’oculaire

Les principaux types d’oculaires
Source:Telescope Optics de Rutten &Van
Venrooij

Historiquement les premiers oculaires étaient composés d’une seule lentille. Le premier réel développement de l’oculaire date de 1703 avec la création du premier oculaire à deux lentilles qui porte encore aujourd’hui le nom de son concepteur : Huygens. Des évolutions de cet oculaire sont ensuite apparues : le Ramsden et le Huygens-Mittenzwey. Ces oculaires simples sont encore aujourd’hui construits soit pour les instruments d’initiations avec souvent une piètre qualité, soit pour des instruments professionnels avec des focales inhabituellement longues de l’ordre de 100mm conçu pour des instruments de très longues focales avec des rapports F/D élevés (certain membre des missions Astroqueyras ont pu voir l ’impressionnant Huygens-Mittenzwey Lichtenknecker 100mm avec une lentille de champs de 90mm !). Contrairement à des idées reçues,le Huygens reste un des oculaires les mieux corrigé de ’aberration chromatique latérale, et ce, avec simplement 2 lentilles ! Seul la bordure du diaphragme de champs peut apparaître entouré d’un liseré coloré du fait que celui-ci se trouve situé entre les deux lentilles et n’est visualisé de ce fait qu’avec la lentille d’œil qui est simple.

Le Kellner qui représente aujourd’hui le strict minimum et qui pour un prix dérisoire apporte une qualité relativement convenable sur des instruments d ’initiations.

L’orthoscopique créé par Abbe (Zeiss) est un excellent oculaire. Le champ est relativement modeste de 40-45° mais parfaitement net jusqu’au bord de celui-ci. Sa distorsion extrêmement faible lui a donné sont nom et par conséquent, les oculaires micrométriques permettant de mesurer des distances angulaires sont souvent des orthoscopiques. Un autre avantage de cet oculaire est sa très faible sensibilité aux reflets internes qui était très apprécié avant la généralisation des traitements anti-reflets. Par contre, une des difficultés de fabrication de cet oculaire est le collage du triplet qui demande un centrage très soigneux et d’autant plus difficile à réaliser que la focale est courte.

Le Plossl est devenue depuis une dizaine d’années l’oculaire certainement le plus populaire et le plus distribué en astronomie. Avec un champ apparent voisin de 50 °, la possibilité de le décliner sur toutes les focales et une relative facilité de fabrication (en évitant le délicat collage du triplet de l’orthoscopique), le Plossl avait donc tout pour devenir un best-seller. De plus, les verres des bons Plossls : flint dense et baryum crown sont moins hygroscopiques que le flint baryte de l’ortho qui nécessite des essuyages fréquents. Les meilleurs disposent de formule non symétrique entre les deux doublets qui le composent alors que les plus simples ont des formules symétriques qui permettent d’abaisser significativement les coûts de fabrication.

Les Super-Plossl composés de cinq lentilles avec une formule voisine du Plossl auquel à été ajouté une lentille biconvexe entre les deux doublets qui apporte plus une valeur marketing que qualitative ! Meade a d’ailleurs simplifié son Super-Plossl serie 4000 avec un retour discret sur une formule classique Plossl à quatre lentilles.

L’Erfle fut le premier oculaire à très grands champs (60 °). Certes,le champ est étendu, mais les aberrations restent assez élevées,c’est pourquoi il n’existe quasiment qu’en longue focale.

Wide field, Radian, Panoptic ... sont des oculaires grand champ proposés par Televue, qui sont soit des version améliorées des Erfles, soit des mini Nagler bridés.

Oculaire Nagler

Le Nagler avec un champ apparent immense (>80°) reste bien corrigé des aberrations. Sa formule incluant un doublet négatif d’entrée qui joue le rôle d ’une lentille de Barlow (1,7x) permet à la fois de rester performant avec de faible rapport F/D et de compenser la courbure de champs sans augmentation notable de l’astigmatisme. Par contre, cet oculaire présente une forte aberration de sphéricité de la pupille de sortie induisant des effets « d’ombres volantes » en observation diurne. Ce phénomène qui n’est sensible qu ’à partir des focales moyennes a été réduit sur les dernières versions (Type II,II &IV) De nombreuses variantes de ces formules existent aujourd’hui, notamment chez Meade avec les UWA.

Les lanthanum ne constituent pas à proprement parler d’un type d’oculaire. Il s ’agit en fait d ’un plossl 20mm sur lequel a été incorporé une mini lentille de barlow spécifique à chaque focale de la gamme (un peu comme sur les Nagler). Ce qui permet de garder l’avantage d’un bon rejet de la pupille de sortie sur toute la gamme de focale. Le lanthan est un verre a fort indice de réfraction souvent utilisé sur les courtes focales afin d’éviter de polir avec des courbures excessives. Ce verre n’est pas nouveau et est utilisé depuis des dizaines d’années par d’autres fabricants sérieux (Zeiss,Lichtenckneker, Clavé ...) qui n ’ont pas toujours su communiquer contrairement aux firmes japonaises !

Les oculaires zoom ou à focale variable n’ont pas très bonne réputation, et ceci à juste titre pour la plupart d ’entre eux. Mis à part la qualité optique qui n’est pas toujours au rendez-vous, le défaut le plus rédhibitoire est certainement la variation du champ apparent au cour du zooming : Celui-ci est minimal à la plus longue focale (environ 35 °) pour s’élargir à une valeur plus raisonnable à la plus courte focale (45-50 °). Mais se serait plutôt l’inverse qui serait tolérable avec un grand champ au faible grossissement. Seul un oculaire de ce type se détache du lot : le Vario-ocular 10-25mm Zeiss (ou aujourd ’hui Doctor-Optic) qui possède un champ constant de 50° et une excellente qualité, je l’ai essayé à plusieurs reprise avec une immense satisfaction : quel plaisir que de pouvoir adapter son grossissement instantanément à la turbulence.

Les lentilles de Barlow : il ne s’agit pas d ’oculaire, mais je ne pouvais passer sous silence cet accessoire qui a de nombreux avantages : améliore les performances des oculaires en augmentant le rapport f/d, augmente le confort d’observation en éliminant les inconfortables courtes focales avec leurs minuscules lentilles d ’œil et enfin permet de se constituer une gamme de grossissement à moindre coût.

Contrairement aux annonces marketing,le nombre de lentilles ne sera en aucun cas un gage qualitatif ! Le choix des verres, le soin porté au polissage, aux traitements et la qualité du montage seront déterminant. Les prix sont devenus de plus en plus compétitifs notamment avec les délocalisations massives vers la chine qui touchent quasiment tous les constructeurs. A mon sens, les marques sérieuses disponibles sur le marché français sont : Clavé avec certainement la meilleure gamme d’oculaire Plossl, Televue, Pentax, Vixen, Takahashi ...

Caractéristiques de l’oculaire

- Le coulant (24.5 -27 -31.7 -50.8mm, ces deux derniers devenant la norme). Approximativement, le coulant limite la focale maximum que l’on peut atteindre sans réduction du champ apparent (35mm pour du 31,75 et 55mm pour du 50,8).
- La formule optique développée précédemment ;
- La focale (3 à 100mm)qui déterminera le grossissement instrumental final ;
- le champ apparent (30 à 84°).
- La position plus ou moins rejeté de la pupille de sortie (aussi appelé relief d’œil)qui rendra l’observation plus ou moins confortable notamment pour les porteurs de lunettes.

- Grossissement =longueur focale de l ’objectif /longueur focale de l’oculaire.
- Champ réel = champ apparent / grossissement.
- Pupille de sortie =focale de l ’oculaire / (f/d).

Constitution d ’une gamme d’oculaires

Afin de s’adapter aux objets observés en astronomie, il est nécessaire d’utiliser différents grossissements : faible grossissement pour les grandes étendues stellaires qui nécessitent un grand champ et une luminosité maximum, fort grossissement au détriment de la luminosité pour l ’observation planétaire. Dans l’absolu, la notion exclusive de grossissement n ’a pas beaucoup de sens, car elle est dépendante de l’instrument utilisé. Nous allons plutôt nous baser sur la pupille de sortie qui, elle, est indépendante de l’instrument. Le diamètre maximal de notre pupille en vision nocturne est situé entre 5 et 7mm, c’est donc autour de cette valeur que nous calculerons l’oculaire le plus faible. C’est avec une pupille de sortie de 1mm que l’on atteint le pouvoir résolvant de son instrument, les pupilles inférieures n ’apportent plus de détails supplémentaires et font chuter le contraste. Le calcul permettant de connaître la focale de l’oculaire en fonction de la pupille de sortie envisagée est le suivant : f/d x pupille de sortie souhaité.

Je vous propose une gamme simple de 4 grossissements pour laquelle des grossissements intermédiaires peuvent être ajoutés (n ’oubliez pas qu’une lentille de barlow vous permettra de doubler les possibilités).
- Oculaire de faible grossissement : f/d x 5 ou 7 (ex :avec télescope à f/d 10 :10 x 5 =50mm).On constate que l ’on ne pourra pas toujours atteindre de telle pupille, notamment avec un instrument à f/d élevé et que le coulant 50,8 sera souvent nécessaire.
- Oculaire de grossissement moyen : f/d x 3 (ex :avec un télescope à f/d 10 : 10 x 3 =30mm).
- Oculaire résolvant:f/d x 1 (ex : avec un télescope à f/d 10 :10 x 1 = 10mm).
- Oculaire fort:f/d x 0,75 (ex :avec un télescope à f/d 6 :10 x 0,75 = 7,5mm).

En conclusion, ne sous-estimez pas l’incidence de l’oculaire sur les performances globales de votre instrument astronomique, il est préférable de se constituer une collection modeste de quelques oculaires de qualité que l’on pourra étendre progressivement dans le temps. Profitez des vendredis soir à l ’observatoire afin de pouvoir tester de visu soit sur les instruments du club, soit sur les instruments apportés par des adhérents et faite vous votre propre opinion.

Dernière chose, vous avez probablement deux yeux, alors pourquoi n ’en utiliser qu ’un ? Une tête binoculaire vous apportera le confort et améliorera la perception des plus fins détails au détriment d ’un peu de clarté. Certes on divise le faisceau en deux d’où une perte théorique de 50 % de la luminosité, mais en réalité la perte physiologique est moindre du fait que notre cerveau analyse sur les deux yeux, ce pour quoi il est optimisé (corrélation entre les deux images en continue).

Bonnes observations !

Article publié dans le NGC69 numéro 68 d’avril 2003.


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