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LES OCULAIRES

par Pierre Paquette

Un oculaire est une lentille ou un groupe de lentilles servant à agrandir l’image fournie par l’objectif. On l’appelle ainsi parce que c’est là que l’on place l’œil. Aujourd’hui, l’emploi d’une lentille unique comme oculaire est désuet, mais il n’en fut pas toujours ainsi…

Le premier oculaire est celui de la lunette galiléenne (1608–1609). Il est simplement formé d’une lentille divergente, placée avant le foyer. À strictement parler, il est encore utilisé dans certaines jumelles d’opéra, surtout parce qu’il produit une image de même orientation que l’objet (« image debout »). Son inconvénient majeur est un très faible champ de vision (on parle toujours, dans cet article, de champ apparent, par opposition au champ réel). Aussi, l’aberration chromatique qu’il introduit n’est pas corrigée.

En plaçant une lentille convergente au-delà du foyer, on obtient un plus grand champ de vision, au détriment d’une inversion de l’image. Évidemment, cela n’est pas grave dans le cas d’une observation astronomique ou microscopique… Ce type d’oculaire a toutefois de l’aberration chromatique encore une fois, pour la même raison que la lentille divergente. Zacharias Janssen utilisait un tel oculaire dans son microscope vers 1590, et Johannes Kepler a suggéré une telle pratique pour les instruments astronomiques en 1611, dans son livre Dioptrice. Avec un côté de la lentille à grand rayon de courbure, on réduit quelque peu l’aberration sphérique et chromatique. Au-delà de 15° de champ, les aberrations sont toutefois majeures.

Christiaan Huygens (proprement prononcé « œil-(X)ens », où le (X) est comme le j espagnol — « craché/étouffé ») a découvert en 1662 que deux lentilles séparées par de l’air pouvaient constituer un oculaire sans aberration chromatique transversale. L’oculaire de Huygens est formé de deux lentilles plan-convexe (donc convergentes) de diamètres différents : la plus petite est placée du côté de l’œil, et l’autre du côté de l’objectif, les deux avec leur côté plat du côté de l’observateur. On les place de sorte que le foyer de l’objectif se trouve entre les deux ; l’espace entre elles est égal à la moitié de la somme de leur distance focale respective. Cet oculaire est bon pour les objectifs à très grand rapport focal (c.-à-d. le rapport F/D entre la distance focale F et le diamètre D), très communs à l’époque, mais peu adapté aux instruments d’aujourd’hui — il en résulte une très courte distance oculaire (l’espace entre l’oculaire et l’œil), un très petit champ de vision, de l’aberration chromatique et sphérique, et une distorsion de l’image.

L’oculaire de Dollond fut inventé en 1758 par John Dollond, et est achromatique ; sa lentille de champ est en flint (indice de réfraction n = 1,63), plano-concave, et sa lentille d’œil est en crown (n = 1,52) et biconvexe — elles sont cimentées ensemble. Le champ apparent est d’environ 20° et le dégagement oculaire d’un oculaire de 28 mm peut atteindre 26 mm.

L’oculaire de Ramsden tourne la lentille externe de l’oculaire de Huygens, de sorte que son côté convexe soit vers l’observateur ; aussi, les deux lentilles sont de diamètre semblable. La séparation des lentilles est d’environ les deux tiers du total des focales. Jesse Ramsden (le gendre de John Dollond) l’a inventé en 1782. Sa qualité est légèrement supérieure à celle de l’oculaire de Huygens (plus grand champ et meilleure correction des aberrations), mais il introduit de l’aberration chromatique transverse et son dégagement oculaire est très faible (~7 mm). On ne le trouve virtuellement plus dans les instruments modernes, sauf peut-être certains polarimètres.

Les besoins et les moyens augmentèrent graduellement au début du 19e siècle, entre autres avec l’apparition de l’analyse mathématique des aberrations, par Joseph Petzval et Philipp Ludwig von Seidel. On voit alors l’apparition d’un accessoire dont peu d’astronomes amateurs se passent aujourd’hui, la lentille de Barlow, un doublet achromatique négatif (divergent) inventé par Peter Barlow et George Dollond en 1834. Il en existe diverses variations, dont une est employée dans le Paracorr, un correcteur de coma (déformation optique inhérente aux miroirs paraboliques de rapport focal très faible).

L’oculaire de Kellner, inventé en 1849, est un concept à trois lentilles — une plus grande, plano-convexe, au côté convexe tourné vers l’œil, et deux plus petites, une biconvexe du côté de la grande, collée à une plan-concave (côté concave tourné vers l’autre, évidemment), du côté de l’observateur. Le dégagement oculaire est moindre que dans un oculaire de Ramsden, mais les autres caractéristiques sont améliorées. Elles introduisent toutefois certaines réflexions internes, corrigées aujourd’hui par l’emploi de revêtements spéciaux antireflets. Son champ de vision est de 40° à 50° environ, et il est plus adapté aux objectifs de ƒ/6 ou plus. L’oculaire aplanatique en est dérivé.

L’oculaire de Plössl, dérivé de l’oculaire symétrique aux lentilles de même taille et plus séparées, fut inventé en 1860. Il combine deux doublets achromatiques, et fournit donc une image plus « épurée » que celui de Kellner, au détriment de la distance oculaire, mais aussi au profit d’un grand champ de vision, qui peut dépasser 50°. Il est surtout populaire depuis environ 1980, alors que les manufacturiers ont commencé à en offrir une version légèrement modifiée. Toutefois, compte tenu de son cout de fabrication élevé, sa qualité varie d’un fabricant à l’autre…

Inventé la même année (1860), mais plus populaire pendant près de 100 ans, l’oculaire Abbe ou oculaire orthoscopique utilise un triplet achromatique cimenté, constitué d’une lentille biconcave prise « en sandwich » entre deux lentilles biconvexes, puis une lentille plan-convexe du côté de l’œil, son côté convexe vers les autres lentilles. La qualité de l’image est presque parfaite, et le dégagement oculaire relativement bon, mais le champ de vision diminue à environ 40°–45°. On le préfère aujourd’hui pour l’observation planétaire.

Aussi adapté à l’observation planétaire, l’oculaire monocentrique fut inventé par Hugo Adolph Steinheil vers 1883. Il combine trois lentilles : deux de flint au bore (n = 1,55) en forme de ménisque, de part et d’autre d’une biconvexe de crown au barium (n = 1,57). La caractéristique principale de cet oculaire, expliquant son nom, est que le centre de courbure de chaque surface est le même. Les trois lentilles sont cimentées ensemble. Steinheil fut inspiré par Anthony van Leeuwenhoek et William Herschel, qui utilisaient des billes de verre fondu coulé dans de l’eau comme oculaires. L’image qu’il fournit est brillante et contrastée, au détriment d’un très petit champ de vision, de l’ordre de 25°. Cet oculaire convient surtout aux objectifs de ƒ/6 et plus.

Les progrès enregistrés au 20e siècle ont surtout une origine militaire (on n’a qu’à penser aux deux conflits mondiaux de 1914–1918 et 1939–1945, à la guerre de Corée 1950–1953, et à la guerre du Viêt Nam 1950–1975…), dont le leitmotiv pourrait être simplifié en : « Au Diable les dépenses, on veut un champ de vision parfait et une image parfaite ! ». Vers la fin du siècle, l’apparition de l’informatique rend les calculs théoriques plus faciles ; enfin, au début du 21e siècle, on semble se tourner vers la simplicité…

En 1911, Paul Rudolph et Charles Hastings mettent au point le triplet de Hastings, modification de l’oculaire monocentrique où les trois lentilles ont le même diamètre. C’est ce qui est utilisé le plus souvent comme loupe haute-puissance, et dans les oculaires Monocentric de TMB Optical.

L’oculaire de Erfle est une bonne solution pour augmenter le confort de l’observateur (militaire d’abord), avec des lentilles larges et un grand dégagement oculaire. Deux doublets achromatiques, un plus petit que l’autre, se font face — celui de l’extérieur a une lentille biconcave, l’autre a une lentille plan-concave, les deux avec une biconvexe comme autre élément — de part et d’autre d’une lentille biconvexe, le petit doublet du côté de l’œil. Inventé en 1923, cet oculaire a un grand champ de vision (~60°), mais à fort grossissement, il introduit de l’astigmatisme et des reflets fantômes ; sa distance focale est donc limitée à 20 mm ou plus en général.

Toujours en 1923, une modification de l’oculaire de Erfle est apparue : l’oculaire de Kaspereit, avec une sixième lentille. Le champ peut atteindre environ 68°, au détriment du dégagement oculaire (~10 mm sur un oculaire de 28 mm).

L’oculaire de König peut avoir différentes configurations de lentilles, mais la version habituelle regroupe un doublet achromatique (biconcave avec un côté de courbe plus prononcée et biconvexe) avec une lentille plan-convexe (ou biconvexe dont un côté presque plat), les deux faces convexes tournées l’une vers l’autre et se touchant presque. Inventé en 1940, cet oculaire est comparable à celui de Plössl, mais avec moins de verre ! Son champ atteint 50° et même 60°–70° avec les améliorations modernes. Il a un très grand dégagement oculaire, sans pareil avant 1979.

Inventé en 1942, l’oculaire de Brandon, aussi d’origine militaire, ressemble un peu à un Plössl modifié, mais utilise deux lentilles biconvexes en crown au barium, et deux lentilles divergentes (une plan-convexe de champ et un ménisque d’œil) en flint à dispersions moyenne et élevée — donc trois ou quatre types de verre. Ses principaux avantages sont une netteté centrale, un contraste élevé, une bonne correction des couleurs, et l’absence d’aberration et d’images fantômes. Le champ de vision avoisine 45° et un dégagement oculaire d’une dizaine de millimètres (pour un oculaire de 28 mm).

Le Zeiss Astroplanokular (oculaire plan astronomique) a un champ apparent de 30° à 45° et un dégagement oculaire d’environ 11 mm (pour un oculaire de 28 mm). Il a été inventé en 1955 et n’est plus fabriqué. L’oculaire de Masuyama qui en est inspiré est très prisé, mais très rare aussi…

Aussi inventé en 1955, l’oculaire de Köhler est inspiré de celui de Erfle. Horst Köhler l’a conçu en divisant la lentille centrale de l’oculaire de Erfle en deux lentilles biconvexes, chacune ayant un côté beaucoup plus convexe que l’autre (et face à face). Une modification est l’oculaire Panoptic de TeleVue ou de Takahashi.

L’an 1979 vit l’apparition de l’oculaire RKE, un acronyme d’explication obscure (selon Edmund Scientific Corp., propriétaire de la marque, cela signifie « Rank Kellner Eyepiece », mais les documents gouvernementaux semblent indiquer « Rank, Kaspereit, Erfle », du nom des trois concepts fusionnés). Un doublet achromatique (biconcave/biconvexe) fait face à une lentille biconvexe du côté de l’œil. Le champ de vision est un peu plus grand que pour un oculaire de Kellner.

Présent au Congrès 2013 de la Fédération des astronomes amateurs du Québec, Albert (Al) Nagler a inventé le premier oculaire Nagler en 1979, avec un champ de vision alors jamais vu de 82° ! Son concept corrige aussi l’astigmatisme et d’autres aberrations optiques normalement introduites, et fut rendu possible notamment par les nouveaux revêtements permettant une plus grande transmission de la lumière — autant de verre aurait autrement absorbé trop de lumière pour être utile en astronomie sans ces revêtements. Son entreprise est TeleVue, une marque très reconnue et très appréciée par tous les astronomes amateurs du monde.

En 1990, l’oculaire LE de Takahashi fut mis au point, l’abréviation signifiant « long eye relief », bien que le dégagement oculaire ne soit que de 11 mm pour un oculaire de 28 mm, donc pas plus que les oculaires précédents. Son design est exclusif à l’entreprise japonaise.

Nagler a récidivé plusieurs fois, notamment avec le Nagler Type 2 en 1988, ou l’oculaire Ethos en 2007, conçu par Paul Dellechiaie, avec un champ de vision de 100° à 110° ! Il existe aussi le nouvel oculaire Delos de TeleVue, avec un champ de vision moindre (72°), mais jusqu’à 20 mm de dégagement oculaire, idéal pour qui porte des lunettes. Les seuls problèmes des oculaires TeleVue/Nagler sont leur poids élevé et leur prix… astronomique ! (Jusqu’à près de 900 $ pour le Ethos 21 mm sur le site de Canadian Telescopes.)

L’oculaire Pentax XW a été inventé par cette entreprise (plus reconnue du côté photographique) en 1998. L’innovation ici est le ménisque divergent, dont la position varie d’un oculaire à l’autre en fonction de la distance focale — il est plus loin du doublet de champ dans les oculaires à courte focale, et plus près (ou le remplace même) dans les oculaires à longue focale. Cet oculaire corrige pour la coma, l’aberration chromatique, et l’aberration sphérique. Son champ de vision avoisine 70°.

Références

Eyepiece sur Wikipedia (anglais)

Oculaire sur Wikipédia (français)

Eyepieces sur Quadibloc (anglais)

Eyepiece Designs sur Astronomical Optics, Black Oak Observatory (anglais)



 

 

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