2- La formule optique

UVEX est un spectrographe basé sur un schéma relativement simple et bien connu, celui du le Czerny-Turner. La figure ci-contre montre la formule optique en question sous sa forme de base. On trouve deux miroirs concaves sphériques imageurs (M1, M2), un réseau à diffraction (R) pour disperser spectralement la lumière, une fente (F) d’entrée, et bien sûr, une caméra (D) pour enregistrer le spectre.

Dans la situation particulière de UVEX, une lentille cylindre est ajoutée juste en face du détecteur afin de corriger l’astigmatisme inhérent à cette formule optique (une lentille cylindrique possède un rayon de courbure fini sur un axe et un rayon de courbure infini sur l’autre axe). La particularité de UVEX est de reposer sur un schéma comportant quasiment que des miroirs, d’où sa propriété d’achromatisme (absence d’aberration chromatique), ce qui permet d’observer un très vaste domaine de longueur d’onde sans refocaliser. Pour conserver cet achromatisme, il faut absolument éviter d’employé UVEX sur un télescope équipé d’un réducteur de focale ou d’un correcteur de champ. Le bon choix est toujours le foyer direct d’un télescope à miroirs (la lame d’un SCT est tolérée, mais attention, celle-ci absorbe le rayonnement UV).

UVEX est plus particulièrement un spectrographe Czerny-Turner dit « croisé » (voir figure ci-contre) afin de faciliter l’aménagement (disposition de la caméra, interface avec le télescope, compacité). Comme indiqué plus haut, une lentille cylindrique est ajoutée face au détecteur. Son but est de corriger le très fort astigmatisme dont souffre la combinaison initiale du Czerny-Turner. Sans cette lentille, la trace du spectre des étoiles serait excessivement élargie suivant l’axe spatial, ce qui affecterait beaucoup l’efficacité de l’instrument lorsqu’il faut observer des astres de faible éclat. Cette lentille n’a aucun effet suivant l’axe spectral (elle se comporte alors comme un simple hublot, sans puissance optique) alors que suivant l’axe perpendiculaire (spatial) elle a un effet de focalisation. Dans la version définitive de UVEX (version dite 3), la lentille est par ailleurs fortement inclinée par rapport à l’axe moyen du faisceau de rayons : il ne faut pas s’en étonner. Cette initiative permet d’uniformiser la correction de l’astigmatisme le long du spectre – en quelque sorte, cette inclinaison corrige le chromatisme propre de la lentille cylindrique. Elle est faite en BK7, un verre optique bien transparent dans l’ultraviolet.


L’ensemble des éléments optiques est disponible auprès de ThorLabs. Les références pour la commande sont indiquées sur le dessin optique ci-contre. Noter que les miroirs concaves sphériques sont utilisés dans des montures (supports) dédiées, elles-mêmes disponibles chez ThorLabs. La distance focale des miroirs est de 100 mm pour un diamètre de 25 mm. Le contour de la lentille cylindrique fait 22 mmm x 20 mm.

La référence du réseau indiqué est celle du 300 traits./mm blazé à 500 nm. C’est un modèle dont la taille fait  25  mm x 25 mm x 6 mm. Des réseaux compatibles avec des densités de gravures différentes sont au catalogue ThorLab (la densité maximale utilisable sur UVEX est de 1800 traits/mm). Par exemple, le réseau de 1200 t/mm blazé à 500 nm est GR25-1205, alors que celui blazé à 400 nm (spécial l’UV) est GR25-1204. 

Les fentes employées sont celles prévues pour le spectrographe Alpy 600 de Shelyak instrument (sérigraphie sur verre ou fente claire).

La cotation du schéma optique est donnée dans les figures ci-après (nota : l’orientation du réseau indiquée correspond à une densité de gravure de 300 traits/mm, avec la longueur d’onde 510 nm positionnée au centre du détecteur) :

On l’a cité, une caractéristique de UVEX, où les éléments optiques qui ont une puissance sont des miroirs, est de ne pas être affecté par l’aberration chromatique. Le domaine spectral potentiellement couvert est donc très large sans qu’il soit nécessaire de retoucher la mise au point de l’image comme déjà indiqué. Par exemple du coté de l’ultraviolet, la limite en longueur d’onde est la coupure spectrale induite par l’atmosphère terrestre (la couche d’ozone  présente en haute altitude), ce qu’indique la figure ci-après : 

Il faudrait aller dans l’espace pour faire mieux ! Une autre caractéristique de UVEX est le haut rendement optique, qui atteint 35% dans le vert  (hors les pertes au niveau de la fente liées à l’élargissement de la tache image à cause de la turbulence) — voir le détail dans la figure suivante : 

Cette valeur 35% est un efficacité photonique particulièrement élevée pour un spectrographe (le résultat dépend bien sur du rendement quantique propre du détecteur et de la longueur d’onde). Ce résultat vient du schéma optique relativement dépouillé, un choix technique volontariste, mais qui se paye par un accroissement de la difficulté de réglage par rapport à un spectrographe plus traditionnel, on le verra plus loin.

4 réflexions sur « 2- La formule optique »

  1. Bonjour
    Très bon travail!
    Je voudrais savoir comment vous avez calculè les angles entre les miroires, le reseau, la fente et le detecteur.
    Merci
    C

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