Transformation d'un miroir conventionnel en miroir "superpoli" sur une optique de 200 mm de diamètre à F/5
Petit historique : à l'origine, ce miroir a été réalisé en 1989 au rouge à polir par mes soins. C'était mon tout premier miroir, réalisé en près de 100 heures, dont une vingtaine au polissage. Ce miroir a succédé à la petite lunette de 60 mm qui m'a permi de débuter en astronomie.
Ce miroir présentait une forme relativement régulière mais souffrait d'une rugosité importante, source de diffusion lumineuse dans les images à l'oculaire. La surface du miroir présentait aussi un nombre incalculable de filandres, autre source de diffusion...
Les techniques de polissage que j'emploie aujourd'hui permettent d'obtenir un état de surface bien meilleur. La différence est plus qu'évidente au test de Foucault et se ressent bien sûr à l'oculaire par un gain en luminosité et en contraste... La différence de qualité d'image donnée par un miroir normal et un miroir superpoli est à peu près la même qu'entre une cassette VHS et un DVD !
Les photos présentées ci-dessous ont été faites à titre d'expérience et permettent de se rendre compte de l'amélioration progressive de l'état de surface du miroir. Elles ont toutes été réalisées avec la même orientation du miroir ; on retrouve d'ailleurs les petits éclats de la tranche sur tous les clichés.
Jean-Marc Lecleire , 27 mai 2004
Cliquer sur les images pour les agrandir
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Transformation d'un miroir conventionnel en miroir superpoli
Etape 1 : contrôle du miroir d'origine
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Ci-dessus : trois vues du miroir au test de Foucault, avant reprise au polissage. La surface optique est assez régulière mais le micromamelonnage est déjà bien visible.
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Ci-dessus : images au contraste de phase, montrant un très fort micromamelonnage ainsi que des traces de passage d'outil.
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Ci-dessus : en fermant complètement le couteau du test de Foucault, on met en évidence les filandres présentes à la surface du miroir. Elles apparaissent également très bien lorsqu'on place le miroir au Soleil (attention danger ! Ne jamais regarder directement l'image du Soleil dans un miroir de télescope)
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Etape 2 : retouche locale du centre du miroir pour mettre en évidence l'amélioration progressive de l'état de surface
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Ci-dessus : ces deux images du miroir au contraste de phase montrent la transition entre la surface retouchée (au centre) et la surface brute (en périphérie). Les teintes colorées ne sont pas naturelles, mais sont dues à la lumière du jour qui filtrait dans l'atelier lors de la séance de prise de vues. Les taches visibles correspondent aux structures visibles au dos du miroir. Vous pouvez constater une amélioration sensible de l'état de surface au centre du miroir.
Ci-dessus : l'action bénéfique du repolissage élimine non seulement le micromamelonnage mais aussi les filandres. Pour preuve, cette image du miroir réalisée au test de Foucault avec le couteau complètement fermé. Le centre est déjà moins diffusant ! Imaginez le gain de contraste dans les images à l'oculaire !
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Etape 3 : reprise de la totalité de la surface optique avec un outil adapté
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Ci-dessus : trois vues du miroir au test de Foucault, après retouche de polissage. L'état de surface est considérablement meilleur qu'à l'origine et ne diffuse pratiquement plus de lumière parasite. Le micromamelonnage est maintenant invisible avec ce test... On peut parler de "superpoli".
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Ci-dessus : images au contraste de phase après retouche, dans les mêmes conditions que les photos faites au départ. Les traces visibles correspondent aux défauts d'homogénéité dans le verre (Duran 50), défauts appelés "fils de sucre". Ces défauts apparaissent lors du coulage du verre et sont provoqués par des différences d'indice du matériau. Seuls les fils afflerant la surface optique sont perceptibles sur ces images. On ne peut pas les éliminer.
Ci-dessus : photo de la diffusion résiduelle, en fermant complètement le couteau du test de Foucault. Les filandres ont totalement disparu. La surface du miroir diffuse très peu de lumière maintenant.
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Quels sont les avantages des miroirs "superpolis" ?
Un grand débat...
Sachez tout d'abord que le "super polissage" des surfaces optiques existe depuis de nombreuses années. Il a été employé par Bernard Lyot pour réaliser ses lentilles de coronographes mis en service au Pic du Midi, durant la seconde guerre mondiale. A cette époque, B. Lyot a développé un procédé de polissag et de contrôle des optiques permettant de réduire la diffusion lumineuse dans son instrument. En effet, le coronographe était un instrument destiné à observer les protubérances ET la couronne solaire en lumière monochromatique. Ces observations étaient très difficiles à mener et nécessitaient des optiques parfaitement propres et sans aucune lumière parasite.
Le polissage des lentilles de coronographe a donc été particulièrement soigné de manière à réduire le taux de lumière parasite engendré par la rugosité même des surfaces optiques (rugosité de l'ordre de l'Angtröm).
De nos jours on se soucie moins de la qualité des lentilles des coronographes car les progrès techniques ont permis de réaliser des filtres interférentiels plus performants pour observer les protubérances solaires. Cependant, le superpoli existe toujours dans l'industrie et il trouve des applications dans les lasers de puissance ou encore les optiques UV. La particularité des optiques "superpolies", que ce soient des lentilles ou des miroirs, est de diffuser très peu de lumière parasite autour de l'image.
En astronomie, les performances des miroirs de télescope varient également en fonction de la rugosité de leur surface optique. De nombreuses observations visuelles ou photographiques, menées depuis plusieurs années, permettent de constater que les optiques polies plus finement produisent des images plus contrastées que les optiques "rugueuses". Sans pour autant aller jusqu'au miroir superpoli (rugosité de l'ordre de l'Angström), les miroirs présentant une faible rugosité (également appelé micromamelonnage) donnent de meilleures images du ciel, que ce soit en ciel profond ou en planétaire.
Avantage aux miroirs peu rugueux
De nombreux exemples de miroirs retouchés sont consultables sur ce site. Vous pouvez notamment observer la différence entre la surface d'un miroir de 250 mm du commerce avant et après retouche de polissage, ou un miroir de 380 mm de diamètre qui fait régulièrement parler de lui sur le forum Astrosurf...
La rugosité d'un miroir, lorsqu'elle est importante (de 15 à 50 angtröms), provoque une perte de contraste dans les images, se traduisant par un halo lumineux autour des étoiles et des planètes, et crée parfois un voile laiteux dans le champ de vision. Un miroir très bien poli, ou (mieux encore) superpoli, ayant une rugosité de 1 à 5 Angtröms, ne présente pas ou pratiquement pas ce défaut.
Vous pouvez voir une image des satellites de Mars Phobos et Déimos, réalisée en 2003 au foyer d'un T250 à miroir très bien poli. La planète est très largement surexposée et ne présente pas de détail. Par contre les deux petits points, correspondant aux satellites de Mars, visibles dans les aigrettes de diffraction sont parfaitement visibles !
Les images sont alors plus contrastées et plus colorées. L'instrument est également moins sensible à la turbulence atmosphérique car l'image, même bouillonnante, est moins étalée au foyer.
Le micromamelonnage, et encore plus le mamelonnage, ont une action à peu près équivalente à la turbulence, mais de manière figée.