Techniques d'astronome amateur
Télescopes en détails

Arguments techniques sur la conception des télescopes

Voici quelques sujets de réflexion que je vous propose d'étudier pour faire vos choix lors de la conception d'un instrument d'observation astronomique.

Dans ce texte, j'analyse rapidement chaque thème en proposant ma solution préférée, éventuellement avec des arguments pour et contre mes idées. Mais bien entendu, j'ai tendance à défendre mes opinions. Je tiens à préciser que ce ne sont que des opinions, je ne prétends en aucun cas détenir l'unique vérité.

J'ai bien souvent remarqué que d'autres constructeurs de télescopes sont en désaccord avec mes conclusions et je considère que leurs opinions sont tout à fait respectables. En tout cas, elles sont autant respectables que les miennes.

Lunette ou télescope ?

Voilà la première question que doit se poser l'amateur qui projette de construire un instrument d'observation astronomique : "Dois-je fabriquer une lunette ou un télescope?".

Sur cette question, il existe une polémique au sein de la communauté des astronomes amateurs et le ton des discussions démontre que le sujet est passionné. Ce n'est pourtant qu'une question technique. Des "partisans" veulent persuader les autres de la supériorité de la lunette astronomique sur le télescope (au moins pour les observations planétaires) en évoquant de nombreux arguments tels que :

- Contrairement au tube du télescope celui de la lunette est fermé. Ceci élimine en grande partie la turbulence de l'air dans l'instrument.

- La lunette n'a pas d'obstruction centrale alors que le télescope doit posséder un miroir secondaire dont la silhouette occulte une partie du faisceau lumineux incident et déteriore le contraste des images.

- Les lunettes ont habituellement des grands rapports d'ouverture (F/D = 12 ou plus). Ceci favorise la qualité des images planétaires car les aberrations sont plus faibles au bord du champ observé.

Les partisans des télescopes aiment à rappeler d'autres idées :

- L'optique d'une lunette souffre d'une aberration chromatique résiduelle qui entache forcément le contraste des fins détails planétaires. Elle peut être désastreuse pour l'observation avec un capteur CCD. On peut même observer des détails qui n'existent pas (Exemple : quand le disque de mercure passe devant le soleil, les lunettes montrent une tâche violette au centre du disque noir de la planète). Il faut toutefois adoucir cet argument en évoquant les lunettes dont l'objectif est réalisé avec un verre fluorite car leur aberration chromatique est très réduite.

- Les turbulences internes d'un télescope bien conçu sont très faibles et ne sont pas gênantes.

- Pour les gros diamètres (supérieur à 150mm), la lunette exige un abri (coupole...). Elle est si lourde qu'elle ne peut être commodément déplacée alors que des amateurs ont construit de gros télescopes transportables qui, de plus, s'affranchissent des turbulences de l'air de la coupole puisqu'ils n'en ont pas.

- Les télescopes peuvent avoir des focales courtes qui favorisent la photographie des astres faibles mais on peut en dire autant des lunettes fluorites.

- A diamètre égal, une lunette coûte beaucoup plus cher qu'un télescope.

Ce qui est dommage, c'est que certains "défenseurs" des lunettes n'emploient pas uniquement des arguments rationnels. Ils trouvent aux lunettes des qualités inexplicables... Certains sont convaincus qu'une lunette fournit de bien meilleures images qu'un télescope dont le diamètre serait beaucoup plus grand.

Mon avis est que l'ésotérisme n'a rien à faire dans un domaine technique. Suivant le cas de figure, c'est une solution ou l'autre qui aura ma préférence.

En tout cas, je ne suis pas fortuné et j'aime construire mes instruments d'observation. Il me semble donc que pour un diamètre de 200mm, je n'ai pas le choix. Pour ce diamètre, je dois donc préférer le télescope car je peux le construire en totalité avec un coût raisonnable.

Les télescopes de DOBSON

Dans les années 1960 et 1970, John DOBSON, un ancien moine, parcourait les routes des Etats Unis avec ses amis du groupe "The Sidewalk Astronomers". Il proposait des soirées d'observations publiques gratuites dans le simple but de faire partager le plaisir de l'observation astronomique. Pour cela, il employait des télescopes sommaires et peu coûteux. Il a enseigné à de nombreuses personnes comment les fabriquer rapidement avec des morceaux de carton et des bouts de bois. L'optique était rapidement taillée dans des disques de verre à vitre.

John DOBSON est né en 1915 et il nous a quittés le 15 janvier 2014.

Bien que très simplifiés, ses instruments étaient réalisés avec ingéniosité. Il était facile de les transporter car on pouvait les démonter aisément. Ils étaient stables et légers, pourtant certains de ceux-ci avaient un diamètre imposant (jusqu'à 24", c'est à dire 610mm). J'ai eu l'occasion de voir un miroir de 400mm taillé par John DOBSON lui-même dans un disque de verre à vitre de moins de 2 cm d'épaisseur. J'ai pu observer le soleil dans un autre de ses télescopes. Il s'agissait d'un télescope de Newton (de 150mm de diamètre) équipé d'une lame de fermeture métallisée et inclinée de 45° sur l'axe. Ainsi disposée, elle servait simultanément de filtre solaire et de miroir plan pour replier le faisceau sur le côté.

Tous les télescopes de DOBSON possédaient une monture azimutale.

John DOBSON a diffusé ses méthodes et c'est ainsi qu'est apparue progressivement une communauté d'astronomes amateurs qui employaient ses méthodes de construction. Grâce à John DOBSON, la fabrication des télescopes de grand diamètre s'est démocratisée.

Des puristes de l'optique astronomique se sont montrés très critiques envers ces instruments et envers la passion de leurs constructeurs. La communauté des astronomes amateurs s'est donc divisée sur ce thème.

D'une part, on a trouvé des amateurs enthousiastes, généralement jeunes, qui construisaient des instruments précaires avec lesquels ils obtenaient beaucoup de satisfactions dans l'observation du ciel profond. Mon opinion est que cet enthousiasme ne leur permettait pas de juger honnêtement, la véritable valeur de leur instrument. Ils étaient souvent persuadés d'obtenir de bonnes images alors qu'ils n'avaient pas eu l'occasion de comparer avec un télescope de qualité. Toutefois, cela n'empêche pas que j'estime absolument admirable qu'un amateur puisse fabriquer un télescope de DOBSON de 400mm, qu'il le glisse dans ses bagages et parte faire du stop sur la route en l'emportant dans tous ses déplacements (je l'ai vu!). Dans ce cas, le fait que la conception de l'instrument ne soit pas parfaite me semble être sans importance.

D'autre part, on trouvait des amateurs qui avaient tendance à mépriser cette solution car ils la trouvaient trop imparfaite et trop spécialisée dans l'observation visuelle des objets faibles. En effet, il n'était pas possible d'envisager de faire des photographies avec les télescopes de DOBSON. De plus, l'imperfection de leur optique alliée aux défauts des montures azimutales ne permettait pas d'employer efficacement ces instruments pour l'observation planétaire. Il est toutefois dommage que certains amateurs qui possédaient égoïstement un bon télescope confortablement installé sous une coupole aient pu critiquer les télescopes de DOBSON qui pouvaient être commodément fabriqués à faible coût et avec lesquels des amateurs exaltés ont fait partager leurs émotions à un nombreux public.

Telle était la situation jusqu'à la fin des années 1980. Aujourd'hui, l'appellation "télescope de DOBSON" peut désigner des instruments très différents de ceux qui ont été conçus par John DOBSON. En effet, cette appellation peut dorénavant désigner des télescopes extrêmement modernes qui sont copieusement équipés de systèmes électroniques divers. Ils ont gardé vaguement la forme de leurs ancêtres et ils ont toujours une monture azimutale transportable mais la simplicité de la conception a disparu et le coût a fortement augmenté...

Donc, quand quelqu'un parle d'un télescope de DOBSON, il peut aussi bien évoquer un télescope simplifié de fabrication personnelle qu'un télescope automatisé acheté à grands frais dans le commerce ou bien une quelconque possibilité intermédiaire. Il faut lui faire préciser.

Aujourd'hui, un télescope de DOBSON est un instrument azimutal, compact, léger (relativement au diamètre) et transportable.

Quand un amateur me demande conseil pour définir le télescope qu'il va construire, je cherche habituellement à le convaincre qu'il ne doit pas réaliser un télescope de DOBSON. Je distingue deux types de cas :

1/ L'amateur veut fabriquer un télescope simplifié et pense qu'un DOBSON sera plus rapidement construit et demandera moins de travail. A cela, je réponds que la construction d'un instrument à monture équatoriale peut être simplifiée et, dans ce cas, elle ne demandera pas plus d'énergie que la fabrication d'un DOBSON. Il suffit de prendre modèle sur un télescope déjà réalisé et de ne pas perdre de temps sur les finitions car ce sont elles qui nécessitent le plus de travail (ponçage, enduit, mastic, peinture laque...). Dans le principe, une monture équatoriale n'est pas plus difficile à réaliser qu'une monture azimutale (avec des plans bien conçus) et elle peut ne pas être trop encombrante (exemple : notre télescope HERCULE de 400mm que nous transportons à l'arrière d'une simple voiture de tourisme). La monture équatoriale pourra ensuite (éventuellement) être complétée par un mécanisme d'entraînement.

2/ L'amateur ne veut pas d'un télescope simplifié mais il veut réaliser un appareil sophistiqué avec une électronique performante qui lui permettra de réaliser des clichés à longue pose. Dans ce cas, j'aime à rappeler les mérites d'une monture équatoriale qui lui permettra d'obtenir simplement et avec efficacité ce qui sera obtenu avec des dispositifs électroniques et mécaniques complexes et onéreux sur un instrument azimutal (qu'on appellera aussi, je ne sais trop pourquoi, un télescope de DOBSON).

Mon opinion est que pour les petits instruments (au moins jusqu'à 400mm de diamètre) la monture équatoriale est préférable quel que soit l'aspect considéré. Un télescope équatorial est plus efficace qu'un azimutal et il n'est pas (ou pas beaucoup) plus difficile à construire. Je dois toutefois nuancer mon jugement car certains amateurs ingénieux (comme Yves LHOUMEAU par exemple) ont su réaliser des télescopes de DOBSON particulièrement simples et séduisants.

Il faut bien être conscient des inconvénients des montures azimutales non motorisées. Elles nécessitent deux mouvements pour suivre les astres dans leur périple diurne. De plus, les montures azimutales simplifiées vibrent facilement et après chaque réorientation il faut patienter de longues secondes (parfois plus d'une minute!!!) avant que l'image soit stabilisée. La première conséquence est que l'objet observé n'est pratiquement jamais au centre du champ c'est à dire à l'endroit où les images sont les plus fines. Ceci est déjà pénible pour étudier à faible grossissement des objets de faible luminosité mais le problème devient particulièrement critique si on veut pousser le grossissement sur une planète.

J'ajoute que les montures azimutales motorisées présentent une rotation du champ observé qui complique sérieusement leur emploi pour la photographie. Je présente une analyse de cette rotation de champ sur ma page consacrée à la mise en station des instruments d'observation astronomiques.

Voici des liens sur ce sujet :
Biographie de John DOBSON
Construction de Dobsons

La formule optique du télescope

Ma préférence va sans hésitation vers le télescope de Newton car c'est le plus simple et le plus universel. En effet, un télescope de Newton peut être conçu pour être employé dans la plupart des types d'observation télescopiques d'amateur : Observation visuelle des objets faibles ou des planètes, photographie argentique ou CCD de tous types d'objets célestes. Les autres formules de télescope sont prédisposées à un ou plusieurs types d'observation. Ainsi, un télescope de Cassegrain aura un rapport F/D résultant plus important et sera défavorisé pour la photographie des objets de faible luminosité ou de grande dimension apparente. Même remarque en ce qui concerne la formule "Shmidt-Cassegrain". Je n'évoque pas les autres formules car elles ont un intérêt marginal pour les amateurs.

De toute façon, seul un télescope de Newton est simple à fabriquer et je conseille exclusivement cette formule à un débutant.

S'il est réalisé avec un rapport F/D compris entre 4 et 6, un télescope de Newton peut être transportable (au moins jusqu'à un diamètre de 400mm). Il peut être utilisé pour l'observation visuelle ou photographique de tous les types d'astres. Sur les bords du champ observé, la qualité de l'image se dégrade mais on peut nettement améliorer cet aspect en utilisant un correcteur de champ ou une lentille de Barlow selon le cas.

La lame de fermeture

Des remous de l'air peuvent prendre naissance à l'intérieur du tube du télescope participant ainsi à la dégradation de l'image qu'il fournit. Pour luter contre cette turbulence instrumentale, on propose parfois de fermer le tube du télescope avec une lame de fermeture. Il s'agit d'une lame de verre à faces parallèles. Le principe de ce système est donc très simple, il s'agit de bloquer les échanges thermiques par convection entre l'intérieur et l'extérieur du télescope.

Au premier abord, ce dispositif semble efficace mais il possède des inconvénients qui me contrarient fortement. En effet, cette lame de fermeture doit être réalisée avec une grande précision dans un verre de grande qualité pour ne pas introduire d'aberrations supplémentaires et elle doit être maintenue par une fixation soigneuse qui n'apporte pas de contraintes susceptibles de la déformer. C'est donc une pièce optique délicate à réaliser (ou onéreuse). Mais ce qui m'indispose le plus, c'est la sensibilité de la lame de fermeture à la rosée nocturne qui rend trop souvent indisponible l'instrument. Les possesseurs de télescopes de Schmidt-Cassegrain connaissent bien cet inconvénient. Notez que pour luter contre cette condensation intempestive, leurs propriétaires utilisent (souvent?) des sèche-cheveux ou équipent la lame de résistances chauffantes.... Que pensez-vous de l'effet de ces solutions sur la turbulence instrumentale?

L'expérience démontre qu'un tube carré largement dimensionné provoque peu de turbulences internes nuisibles sur des instruments de moins de 400mm de diamètre. De toute façon, la principale source de turbulence près de l'instrument peut être constituée par la coupole de l'instrument ou par le sol bétonné environnant. Quand il est mal choisi, l'environnement immédiat d'un télescope provoque beaucoup plus de remous de l'atmosphère que ne peut le faire la turbulence instrumentale.

Le matériau d'assemblage du télescope

Comme vous pouvez le constater sur divers documents que j'ai placé sur ce site web, je préfère construire les télescopes avec du contreplaqué. J'emploie ce matériau pour la réalisation de toute l'infrastructure du télescope. Plus exactement, j'utilise du contreplaqué CTBX car il est confectionné avec une colle qui ne craint pas l'humidité. Ce matériau s'usine facilement, il est isolant, il amortit bien les vibrations, il est léger, il est peu coûteux...

Je réalise habituellement le tube avec du CTBX de 8mm d'épaisseur, j'apprécie sa rigidité et son faible poids. Cette épaisseur n'est pas toujours facile à trouver dans le commerce mais il faut insister car le 5mm est trop fragile et le 10mm est trop lourd.

J'emploie du CTBX de 15 mm pour construire la fourche et je double l'épaisseur de certaines parties. Ainsi faite, la fourche est légère et amortit bien les vibrations.

Enfin, le socle lui-même est confectionné avec du CTBX 15. Pour cette partie aussi, je constate qu'il amortit bien les vibrations (quand le montage est bien conçu).

Vous remarquez donc que je n'emploie pas de métal, c'est mieux ainsi. En effet, les télescopes métalliques vibrent... trop, à moins qu'ils ne soient très lourds. Dans mon cas, avec des télescopes transportables, toutes mes tentatives pour utiliser du métal ont abouti à des instruments lourds qui vibraient beaucoup trop facilement.

Il faut aussi savoir que deux pièces métalliques immergées dans un liquide forment une pile électrique. Par conséquent, quand un télescope métallique reçoit de la rosée, les parties formées de différents métaux peuvent être progressivement détériorées par un phénomène d'électrolyse. Cela peut entraîner la dégradation de l'état de surface de certaines pièces avec formation de divers composés chimiques et une émanation gazeuse d'hydrogène. Ces produits peuvent attaquer (directement ou indirectement) l'aluminure des miroirs du télescope. Pour éviter ces conséquences quand on ne peut pas (ou veut pas) éviter le métal, il faut soigneusement isoler les pièces métalliques pour éviter tout contact électrique entre elles. De plus, il faut les protéger avec un revêtement isolant (peinture...).

Par ailleurs, je vous invite à vous méfier du contreplaqué "Marine" car je le trouve trop lourd.

Quel type de porte oculaire?

Le porte oculaire est le dispositif mécanique qui maintient l'oculaire en place sur l'instrument d'observation tout en permettant un réglage fin de sa position sur l'axe optique.

Il existe des types de porte oculaire qui peuvent être bien adaptés pour certains instruments et totalement contre-indiqués pour d'autres. Je vous propose ici d'étudier certaines de ces solutions.

Tube plein ou tube ouvert?

De nombreux d'amateurs fabriquent des télescopes à tubes "ouverts". Cela signifie que l'optique est exposée à l'air libre, les éléments habituellement fixés sur le tube sont ici maintenus par des tiges métalliques.

Tube serrurier

Les gros télescopes des professionnels possèdent des éléments optiques très lourds et les flexions de leur tube, différentes selon les directions visées, peuvent dégrader l'alignement de l'optique. Pour solutionner ce problème, les tubes des grands télescopes sont maintenant construits selon la structure définie par Mark SERRURIER lors de la conception du télescope de 5m du Mont Palormar.

Avec cette méthode, les changements d'orientation de l'instrument entraînent seulement une (faible) translation des miroirs perpendiculaire à l'axe optique. Ils se déplacent ensemble d'une même quantité dans la même direction. Ainsi, on n'annule pas les flexions du tube mais le réglage de l'optique et l'orientation de la ligne de visée sont conservés (notez que j'utilise ici le terme de flexion pour l'ensemble de la structure du tube puisque les barres elles-mêmes ne fléchissent pas).

Pour obtenir ce résultat, Mark SERRURIER propose de relier les parties extrêmes du tube (qui portent les pièces optiques : la tourelle et le barillet) à la partie intermédiaire (qui porte l'axe de déclinaison) avec des barres métalliques disposées en structures triangulaires. Ainsi placées, elles sont seulement sollicitées en traction ou en compression et non pas en flexion. La section des barres de la partie haute est différente de celle de la partie basse du tube. Les valeurs de ces sections sont soigneusement calculées pour que les déplacements de la tourelle et du barillet soient identiques.

Dans un article paru en Janvier 2002 dans la revue "L'Astronomie" publiée par la SAF, Guillaume BLANCHARD nous indique la formule suivante pour le calcul d'un tube Serrurier :

Avec :
M = masse de l'élément d'extrémité
E = module d'élasticité
S = section des barres
L = longueur de la structure triangulaire
d = diamètre du tube
Les indices 1 et 2 correspondent aux deux parties du tube. Ainsi, si on affecte l'indice 1 à la partie basse du tube (entre l'axe de déclinaison et le fond du tube) on attribuera l'indice 2 à la partie haute (entre l'axe de déclinaison et l'entrée du tube).

Chez les amateurs on emploie aussi l'appellation de "Serrurier" pour désigner les tubes ouverts mais il ne s'agit jamais (à ma connaissance) de dispositifs vraiment conçus selon le principe du tube défini par Mark SERRURIER.

Sur les petits télescopes, les tubes ouverts sont plus complexes à concevoir que les tubes fermés. Ils sont plus léger (quoique... ). Ils se dérèglent facilement, ils sont souvent trop flexibles (c'est un comble pour une appellation "Serrurier").

L'optique n'est pas protégée de la rosée ni de la poussière. Après une nuit d'observation humide, l'aspect des miroirs est souvent inquiétant.

La présence de l'observateur peut provoquer des convections de l'air nuisibles aux observations.

La lumière parasite entre directement dans l'oculaire et perturbe l'observation...

Le seul avantage que je reconnais pour les petits instruments (diamètre inférieur à 400mm) est que le tube ouvert peut être démontable et donc plus facile à transporter qu'un tube plein. Pourtant, un tube plein peut aussi être démontable (Exemple : Hercule le télescope de 400mm de l'AMAS).

Vous comprenez que je n'aime pas cette solution. Je préfère construire des télescopes avec un tube "plein".

Hercule, le télescope de 400mm de l'AMAS

Le tube carré :  Le tube de chacun de mes télescopes a une section carrée. Fréquemment, des débutants me demandent pourquoi je n'ai pas fabriqué un tube rond. Je leur retourne alors la question. En effet, pourquoi un tube de télescope devrait être rond ? Mes interlocuteurs sont alors perturbés et ils ne sont pas capables d'émettre le moindre argument. Quelques fois, on me dit que c'est plus esthétique... Je pense surtout que les idées sur ce dernier point sont influencées par les apparences des télescopes des observatoires professionnels et par l'aspect des instruments vendus dans le commerce.

Mais bien entendu, je ne peux juger ni les goûts ni les couleurs...

Je préfère m'orienter vers l'efficacité. Il est aisé de construire un tube à section carrée mais l'argument suprême est l'évidence pour fixer les accessoires sur un tel tube. En effet, imaginez une solution pour fixer un porte oculaire sur le côté d'un tube rond, c'est plus compliqué que pour un tube carré. On obtient la même conclusion pour la fixation des paliers de déclinaison, pour la disposition du mécanisme de correction en déclinaison, pour attacher le chercheur, pour fixer un appareil photo en parallèle... Un tube rond complique sérieusement la vie. Je n'y trouve aucun avantage.

De plus, un tube carré canalise bien les convections de l'air qu'il contient. En effet, il faut bien considérer les turbulences internes en concevant un télescope. Avec une monture équatoriale, le tube carré possède toujours une arête qui surplombe les autres et c'est dans cette dernière que s'écoule le flux d'air réchauffé par le miroir lorsqu'il est plus chaud que l'environnement. Ainsi cette gaine d'air "chaud" est à l'écart du faisceau optique.

Ma solution préférée est donc le tube fermé et carré en contreplaqué CTBX de 8mm dont les parois sont au moins à 25mm du bord du miroir. Le petit côté intérieur du tube a donc 50 ou 60mm de plus que le diamètre du miroir. Le fond du barillet est CTBX 15 (en double épaisseur).

Le tube rond : Je ne vois que des inconvénients pour l'amateur dans cette forme de tube (voir ci-dessus). En apparence pourtant, il semble qu'un morceau de tube (rond) est déjà prêt à constituer un tube de télescope. Il suffit de méditer sur la fixation des accessoires pour comprendre qu'il n'en est rien.

De plus, dans ce cas, il est difficile de réaliser une trappe de visite pour le miroir primaire. Ce qui signifie qu'il faut démonter le barillet du miroir primaire chaque fois qu'on veut l'épousseter.

Le tube octogonal : Recherchant une esthétique à leur goût, certains amateurs s'orientent vers une forme octogonale pour la réalisation du tube de leur futur télescope. Cette forme ne souffre pas des inconvénients du tube rond. On peut toutefois critiquer l'absence des arêtes du tube carré qui auraient favorisé l'écoulement des turbulences internes dans le tube carré.

La conception d'une trappe de visite, si simple sur un tube carré, est difficile à envisager ici mais le grave inconvénient de cette forme demeure surtout dans les difficultés de réalisation. Ce dernier point m'inquiète beaucoup car ceux qui me consultent pour la confection d'un tube octogonal sont presque toujours des débutants. Dans ce cas, la réalisation d'un tel tube ajoute une difficulté propre à les décourager bien qu'ils nient que leur échec soit imputable à cet aspect lorsqu'ils abandonnent le projet...

La couleur du télescope

Comme toute création, un télescope de fabrication personnelle est une forme d'expression artistique et son constructeur peut être tenté de le décorer selon ses goûts. Ceci est bien compréhensible mais il faut être conscient de certains aspects.

Si l'instrument doit être utilisé pour les observations de jour (pour l'observation du Soleil, Planètes...), il est préférable de le peindre en blanc. Ainsi, il sera peu réchauffé par le rayonnement solaire. Il ne s'agit pas d'un petit détail car avec une peinture sombre, il peut devenir brûlant au toucher lors d'une exposition prolongée au soleil. Bien entendu, cet échauffement compromet la qualité des observations et de plus il peut endommager certaines parties de l'instrument. J'ai notamment vu des fourches de télescopes de Newton qui "craquaient" et se fissuraient sous l'action de cette "cuisson solaire".

Par ailleurs, un télescope de couleur sombre peut être difficile à repérer dans l'obscurité.