La collimation des composantes optiques d'un télescope devrait faire partie intégrante des habitudes des astronomes amateurs. Il est essentiel et obligatoire d'apprendre à collimater parfaitement ses instruments si on veut profiter au maximum des performances optiques de ceux-ci. S'il est un sujet qui suscite tant de débat, c'est bien celui-là. Pourtant, en y pensant bien, elle est relativement facile à réaliser.
Avant de procéder, il est important de comprendre comment fonctionne un télescope. Dans le présent dossier, il sera question de la collimation des télescopes de configuration Newton et Schmidt-Cassegrain (SCT) de type Meade ou Celestron qui sont les plus populaires sur le marché. La dernière section expliquera en détail comment effectuer une collimation OPTIMALE sur une étoile brillante fortement grossie et comment analyser l'aspect des anneaux de diffraction en position extra et intra focus pour déceler quelques anomalies et défauts optiques.
Principe de fonctionnement des télescopes de configuration Newton
La plupart des télescopes que l'on retrouve sur le marché sont de configuration Newton. C'est le type de télescope qui est le plus simple à fabriquer et à utiliser. La lumière provenant de l'infini entre par l'ouverture à l'avant puis est réfléchi sur le miroir primaire. Ce miroir primaire dont la courbure est parabolique possède un certain diamètre avec une longueur focale précise et converge les rayons réfléchis vers le foyer dont la dimension est un disque de diffraction de quelques microns de diamètre. Pour être en mesure de pouvoir voir l'image, un miroir secondaire plan d'un diamètre (petit axe ou minor axis) calculé est fixé sur un support en forme d'araignée retenue par une, trois ou quatre lames. Sur le dessus du télescope, un porte oculaire de 1.25" ou 2" à tube coulissant est fixé perpendiculairement au tube principal. C'est à cet endroit que l'on insère les différents oculaires qui donneront les grossissements et les champs nécessaires pour observer nos objets célestes. Le miroir principal repose dans une cellule ajustable et le porte miroir secondaire (araignée) possède également des vis d'ajustement. En aucun cas, la pression exercée par les attaches qui retiennent ces composantes optiques ne doit être excessive. Sinon, on risque de déformer la courbure de ces composantes (pinched mirror) qui dégraderait sérieusement l'image (astigmatisme).
La procédure de collimation est grandement facilité si nous traçons un point noir ou en collant un petit anneau au centre du miroir. Il suffit de mesurer exactement le diamètre du miroir et avec un compas, on dessine sur un morceau de papier, un carton ou un acétate un cercle du même diamètre en prenant soin de percer un trou d'environ 1 à 2mm de large au centre. On découpe soigneusement notre patron et on le place sur le miroir. Ce patron doit épouser parfaitement la forme de votre miroir. A l'aide d'un crayon feutre noir indélébile, on trace notre point au centre du miroir ou on colle un petit anneau. Ce point central doit être bien visible. Il est primordial à ce que le miroir primaire dans sa cellule arrive parfaitement au centre du tube du télescope. Il en est de même pour le support du miroir secondaire dont l'axe central doit arriver au centre du tube interne du télescope.
La collimation consiste à aligner parfaitement l'axe optique du miroir primaire au centre optique du porte oculaire. Pour être encore plus explicite, l'axe optique du miroir primaire
doit arriver au centre optique du miroir secondaire qui lui doit être parfaitement centrer au milieu du porte oculaire. Le schéma de droite explique très clairement le trajet des rayons lumineux réfléchis par le miroir primaire. Un point important à souligner ici est la présence de coma (étoiles ressemblant à de petites comètes) à mesure qu'on 
s'éloigne de l'axe optique. Même pour un miroir parabolique d'une très grande précision, la coma dépend uniquement du rapport focal du miroir primaire. Plus le rapport focal FL/D sera petit (ex: F4), plus la coma sera importante. Pour illustrer cette aberration, on détermine par des formules mathématiques le diamètre libre de coma selon le rapport focal du miroir primaire. Le tableau suivant montre très bien que plus notre rapport focal est petit, plus le diamètre sans coma diminue.
doit arriver au centre optique du miroir secondaire qui lui doit être parfaitement centrer au milieu du porte oculaire. Le schéma de droite explique très clairement le trajet des rayons lumineux réfléchis par le miroir primaire. Un point important à souligner ici est la présence de coma (étoiles ressemblant à de petites comètes) à mesure qu'on 
s'éloigne de l'axe optique. Même pour un miroir parabolique d'une très grande précision, la coma dépend uniquement du rapport focal du miroir primaire. Plus le rapport focal FL/D sera petit (ex: F4), plus la coma sera importante. Pour illustrer cette aberration, on détermine par des formules mathématiques le diamètre libre de coma selon le rapport focal du miroir primaire. Le tableau suivant montre très bien que plus notre rapport focal est petit, plus le diamètre sans coma diminue.
Diamètre linéaire de la zone sans coma autour de l'axe optique du miroir principal
| ||
| F4 | 0.06 pouces | 1.4mm |
| F4.5 | 0.08 pouces | 2.0mm |
| F5 | 0.11 pouces | 2.8mm |
| F6 | 0.19 pouces | 4.8mm |
| F8 | 0.44 pouces | 11mm |
| F10 | 0.44 pouces | 11mm |
A mesure qu'on s'éloigne de la zone sans coma, la présence de coma se fait de plus en plus visible. Le seul moyen d'éliminer cette aberration, c'est d'employer des oculaires de très grande qualité (Plossl ou Nagler) ou une lentille de correction de coma (coma corrector). En faisant la collimation finale du télescope sur une étoile, il est essentiel de toujours maintenir celle-ci au centre de l'oculaire pour demeurer dans la zone sans coma.
Un autre point important à souligner est la position du CENTRE OPTIQUE du miroir secondaire. C'est celui-ci qui doit arriver au centre du porte oculaire et être parfaitement aligné sur l'axe optique du miroir primaire. Il ne faut pas le confondre avec le centre géométrique de l'ellipse du miroir secondaire. Il existe des formules pour calculer le OFFSET, c'est à dire la distance en millimètre qu'il faut déplacer le miroir secondaire pour le placer au centre optique.
OFFSET (mm) = (DIMENSION DU PETIT AXE DU MIROIR SECONDAIRE (mm)) / (4 X (FL/D))
Par exemple, pour un miroir secondaire dont le petit axe (minor axis) est de 50mm et dont le rapport focal du miroir primaire est de F4, on retrouvera un offset de 3.125mm entre le centre géométrique et le centre optique. L'utilisation du Cheshire qu'on verra plus loin permet de placer parfaitement le miroir secondaire au centre optique sans le besoin de calculer le offset.
Il est cependant nécessaire d'expliquer ici pourquoi il est important de placer le miroir secondaire au centre optique et non au centre géométrique. Si on place le miroir secondaire au centre géométrique de l'ellipse (figure A dans l'image de gauche), le foyer arrivera décalé au centre du porte oculaire. On arrive plus au centre optique des oculaires. On perd donc de la lumière. La figure B illustre la position du foyer si on place le miroir secondaire au centre optique. Le foyer arrive parfaitement au centre optique des oculaires ou au centre du porte oculaire. Par contre, on doit ajuster les vis d'ajustement de la cellule à miroir (figure C du schéma de gauche) pour aligner l'axe optique du miroir primaire au centre optique du miroir secondaire
Pour effectuer la collimation, il existe sur le marché des outils facilitant cette fonction. A mon avis et de l'avis de nombreux astronomes, le meilleur outil de collimation est le TUBE DE VISÉE appelé CHESHIRE. Cet outil consiste en un tube de 1.25" de diamètre par 5" (12cm) de long percé à une extrémité d'un petit trou situé au centre et à l'autre extrémité, on y retrouve une croix métallique (mire). Sur le côté, on y retrouve une ouverture pour y laisser passer la lumière. Le CHESHIRE permet de collimater parfaitement tout type de télescope. Durant la nuit, il est possible de vérifier la collimation du télescope en éclairant l'ouverture placé sur le côté permettant de voir la mire du Cheshire. Cet outil est très utile et peu dispendieux (environ $50 US). D'autres outils comme le COLLIMATEUR LASER peuvent être utilisé pour aligner le centre optique du secondaire sur l'axe optique du primaire mais il nous est impossible d'aligner parfaitement le miroir secondaire au centre optique du porte oculaire comme nous le verrons plus loin. Le CHESHIRE est donc l'outil de collimation par excellence. Le collimateur laser peut par contre nous faciliter la tâche si nous sommes certain que notre miroir secondaire est parfaitement centré dans le tube coulissant du porte oculaire.
La collimation d'un télescope à configuration NEWTON
La collimation des composantes optiques d'un télescope Newton se résument en trois étapes logiques avec le Cheshire. Il est important de comprendre le principe puis d'appliquer les étapes de collimation. Vous devez connaître les principales composantes de votre télescope et comprendre leurs rôles dans le fonctionnement de l'instrument. La partie précédente explique le fonctionnement du télescope Newton. La collimation de ce type de télescope consiste à aligner l'axe optique du miroir primaire sur le centre optique du miroir secondaire qui lui arrivera parfaitement au centre du porte oculaire par conséquent au centre optique des oculaires. Voilà le but recherché.
Il convient ici de bien expliquer les composantes du support du miroir secondaire.
Dans l'image du haut, on a défait un support de miroir secondaire qu'on retrouve dans plusieurs télescopes Newton du commerce. On y retrouve le support constitué de trois ou 4 lames minces (araignée) qui s'attache au tube du télescope. Le centre est muni d'un support avec un trou central permettant de positionner le porte miroir secondaire. Le porte miroir secondaire est retenu sur un support muni d'une vis fileté qu'on glisse au centre du support à lames (araignée) pour le centrer dans le porte-oculaire. On peut ainsi avancer, reculer et tourner le porte miroir secondaire sur son axe pour bien l'ajuster au centre du tube coulissant du porte oculaire.
Le porte miroir secondaire porte aussi une petite plaque métallique où s'appuira trois petites vis d'ajustement pour ajuster l'angle du porte miroir secondaire pour bien le centrer sur l'axe optique du miroir primaire (image de droite). Il est FORTEMENT RECOMMANDÉ de faire vos trous du support 
de votre porte secondaire plus allongé (SLOT) dans le tube du télescope afin de pouvoir bien ajuster l'angle du support du porte secondaire pour qu'on puisse voir le miroir secondaire bien rond et non de forme ovale ou déformé (image de gauche).
de votre porte secondaire plus allongé (SLOT) dans le tube du télescope afin de pouvoir bien ajuster l'angle du support du porte secondaire pour qu'on puisse voir le miroir secondaire bien rond et non de forme ovale ou déformé (image de gauche).
Il est aussi TRÈS IMPORTANT à ce que votre miroir primaire et le support du porte secondaire soient bien au centre de votre tube de télescope. Pour
vous en assurer, faites vous un petit gabarit avec des feuilles d'acétates rigides dont le diamètre sera parfaitement égale au diamètre intérieur de votre tube de télescope. Faites un point à l'encre indélébile au centre de votre gabarit et vérifiez si votre miroir primaire et le porte 
secondaire sont bien au centré dans votre tube de télescope (image de droite).
vous en assurer, faites vous un petit gabarit avec des feuilles d'acétates rigides dont le diamètre sera parfaitement égale au diamètre intérieur de votre tube de télescope. Faites un point à l'encre indélébile au centre de votre gabarit et vérifiez si votre miroir primaire et le porte 
secondaire sont bien au centré dans votre tube de télescope (image de droite).
La cellule du miroir primaire possède aussi trois vis d'ajustement et trois vis de blocage. Pour ajuster le miroir primaire, il faut au départ déserrer les vis de blocage puis utiliser les vis d'ajustement pour bien le collimater (image de gauche). On verra ces étapes en détails dans la partie suivante.
Avant de débuter les étapes de la collimation, il est important d'apprendre à reconnaître les différentes composantes optiques du télescope lorsqu'on 
regarde à travers le tube coulissant du porte oculaire (sans oculaire). L'image de gauche montre ces composantes. Il est important de reconnaître le miroir secondaire et son support, la réflexion du miroir secondaire sur le miroir primaire, les lames du support du porte miroir secondaire et le point central dessiné sur le miroir primaire. Une fois que l'on reconnaît facilement ces composantes, nous pouvons commencer les étapes de collimation. Avant de débuter, il est primordial de s'assurer que le centre du miroir primaire arrive parfaitement au centre intérieur du tube ainsi que le porte miroir secondaire (araignée) comme expliqué ci-haut en utilisant un gabarit. Le porte oculaire doit être bien fixé et parfaitement perpendiculaire au tube du télescope. A cette condition, vous pouvez commencer la collimation.
regarde à travers le tube coulissant du porte oculaire (sans oculaire). L'image de gauche montre ces composantes. Il est important de reconnaître le miroir secondaire et son support, la réflexion du miroir secondaire sur le miroir primaire, les lames du support du porte miroir secondaire et le point central dessiné sur le miroir primaire. Une fois que l'on reconnaît facilement ces composantes, nous pouvons commencer les étapes de collimation. Avant de débuter, il est primordial de s'assurer que le centre du miroir primaire arrive parfaitement au centre intérieur du tube ainsi que le porte miroir secondaire (araignée) comme expliqué ci-haut en utilisant un gabarit. Le porte oculaire doit être bien fixé et parfaitement perpendiculaire au tube du télescope. A cette condition, vous pouvez commencer la collimation.
Première étape: Centrer le miroir secondaire au centre du porte-oculaire
Plusieurs astronomes ne jurent que par le collimateur laser. Or, si votre miroir secondaire n'est pas bien centré au centre optique votre collimation sera déficiente. L'emploi d'un collimateur laser peut par contre être très pratique une fois qu'on est certain que notre miroir secondaire est bien centré par rapport au tube coulissant de votre porte-oculaire. Le collimateur CHESHIRE est donc mieux approprié pour s'assurer de bien centrer notre miroir secondaire.
On commence par insérer le Cheshire dans le tube coulissant du porte oculaire (image de gauche). Ne l'entrez pas au complet mais assurez vous de le sortir
le plus loin que vous pouvez. On ressort aussi complètement le tube coulissant du porte oculaire pour s'assurer de voir complètement le pourtour du miroir secondaire. Si vous ne pouvez pas voir le pourtour du miroir secondaire, ajoutez un tube d'extension (image de droite). Il est TRES IMPORTANT de bien voir le pourtour de votre miroir secondaire. Pour vous en assurer, regardez dedans le Cheshire et touchez le rebord de votre miroir secondaire. Vous devriez voir votre doigt toucher le bord du miroir secondaire. Tournez aussi le Cheshire pour vous assurer que l'entrée de lumière soit suffisant pour bien voir le pourtour du tube intérieur de celui-ci.
Le porte oculaire devrait être bien construit pour ne pas que le tube coulissant bouge transversalement lorsqu'on fait la mise au point. Certains portes oculaires de qualité possèdent de petites vis de pression qui permettent un dégagement uniforme du tube coulissant lors de la mise au point. On regarde à travers le petit trou du Cheshire et on regarde si le
miroir secondaire est bien visible et bien centré. Si ce n'est pas le cas, on centre le miroir secondaire en se servant des vis d'ajustement du porte miroir secondaire (araignée). On peut avancer ou reculer le miroir secondaire et le tourner sur son axe pour qu'il soit bien rond. Lorsqu'on regarde dans le trou du Cheshire, il est normal de voir la croix en X floue.
miroir secondaire est bien visible et bien centré. Si ce n'est pas le cas, on centre le miroir secondaire en se servant des vis d'ajustement du porte miroir secondaire (araignée). On peut avancer ou reculer le miroir secondaire et le tourner sur son axe pour qu'il soit bien rond. Lorsqu'on regarde dans le trou du Cheshire, il est normal de voir la croix en X floue.
Pour aider au centrage du miroir secondaire, on peut mettre un petit carton pour cacher la réflexion du miroir primaire comme le montre l'image de gauche. On peut aussi y placer une feuille de papier blanc dans le fond du tube sous le porte secondaire pour un meilleur contraste. Mettez aussi le télescope à l'horizontal pour éviter d'échapper le porte secondaire qui pourrait tomber sur le miroir primaire et l'endommager.
En plaçant le miroir secondaire centré dans le Cheshire, on place automatiquement le centre optique de celui-ci au centre optique du porte oculaire. Si on doit coller le miroir secondaire, il faut le faire à cette étape. Attention de n'utiliser qu'une mince couche de silicone extérieur en mettant un petit carton mince entre la plaque métallique du porte secondaire et le miroir secondaire. L'utilisation de colle contact directement sur le métal peut créer un stress pouvant déformer la surface du miroir secondaire et créer de l'astigmatisme. On verra cet aspect plus loin dans le document. L'aspect du miroir secondaire vu à travers le Cheshire devrait être un beau cercle bien rond (image de droite) et non une forme ovale. Il faut parfois ajuster l'angle du support à lame du miroir secondaire (araignée) pour pouvoir centrer le miroir au centre du porte oculaire pour qu'il ait un aspect bien rond.
Voici un exemple concret d'une collimation effectuée sur un télescope 15cm F4 avec un collimateur Cheshire. Pour bien voir le miroir secondaire, nous avons ajouté des tubes d'extension et ajusté l'entrée de lumière du Cheshire pour bien voir les différentes composantes qui serviront à la collimation (image de gauche).
Au départ, nous observons ceci:
On constate que le miroir secondaire (rond blanc dans l'image du haut (ne tenez pas comptes des réflexions)) n'est pas centrée et en plus l'aspect de celui-ci n'est pas rond mais ovale ou déformé. Même en l'avançant ou reculant sur son axe, il était impossible de voir un le miroir secondaire bien rond. Cela signifie que le support à lame du porte secondaire n'est pas vertical à l'intérieur du tube du télescope ou que votre miroir secondaire est légèrement tourné sur son axe.
Au départ, commencez par déserrer les trois vis qui servent à retenir l'angle du support du miroir secondaire:
Tout en regardant dans le collimateur Cheshire, visser (ou dévisser) la vis centrale pour avancer ou reculer ou tourner sur son axe le porte miroir secondaire pour bien le centrer dans le tube coulissant du porte oculaire.
Normalement, vous devriez être capable d'ajuster le miroir secondaire simplement en déserrant les trois vis et en ajustant le miroir secondaire avec la vis centrale. Si vous ne réussissez pas à amener le miroir secondaire bien rond et bien centrée, il faut vérifier aussi l'angle du support du miroir secondaire (araignée) en désserant légèrement les vis du support du porte secondaire (araignée) qui le retient dans le tube du télescope et l'ajuster pour qu'il soit bien vertical (d'où l'importance de faire des trous allongées (slot) comme nous l'avons vu plus haut). Une fois bien ajusté, faites des marques avec un crayon indélébile pour vous rappeler l'endroit où votre porte secondaire (araignée) est bien ajusté.
Une fois votre support araignée bien vertical à l'intérieur du tube de votre télescope et que votre miroir secondaire sera bien centré dans le tube coulissant de votre porte oculaire, vous devriez voir votre miroir secondaire bien rond et centré comme dans l'image qui suit:
Lorsque le miroir secondaire apparaîtra bien rond et centré dans le Cheshire et que toutes les vis d'ajustement du support du miroir secondaire seront bien serrées au tube du télescope, on peut passer à la seconde étape. Notez que cette étape est la plus importante parmi les étapes de la collimation. Elle est aussi la plus incomprise et négligé. Assurez vous de bien comprendre cette étape et de l'appliquer. Après cette étape, on peut utiliser les collimateurs laser efficacement.
Deuxième étape: Centrer l'axe optique du miroir primaire sur le centre optique du miroir secondaire
Dans cette seconde étape, il faut ajuster l'angle du miroir secondaire pour centrer l'axe optique (point central) du miroir primaire sur le centre optique du miroir secondaire. Le centre optique du miroir secondaire correspond au centre de la croix du Cheshire. En ajustant l'angle du miroir secondaire par les trois vis d'ajustement du porte secondaire, il faut amener le point central du miroir primaire au centre de la réticule (croix floue) du Cheshire comme le montre l'image de gauche. C'est à cette étape qu'un collimateur laser peut être utile.
Pour notre exemple pratique, notez que la croix floue de notre Cheshire est centrée parfaitement sur l'anneau central placé au centre du miroir primaire. On voit ceci toujours en regardant à travers le collimateur Cheshire. Il est normal de voir la croix du Cheshire floue. Il suffit de centrer la croix sur le petit anneau (ou le point central) correspondant au centre du miroir primaire en utilisant les trois petites vis du porte secondaire (image ci-dessous). Il s'agit ici de la réflexion qu'on voit sur le miroir secondaire lorsqu'on regarde dans le collimateur.
Troisième étape: Ajuster l'angle du miroir primaire pour le centrer sur l'axe optique de toutes les composantes optiques du télescope
La troisième étape consiste à ajuster l'angle du miroir primaire de manière à le centrer sur l'axe optique de toutes les composantes optiques du télescope (miroir primaire, miroir secondaire et oculaire). Autrement dit, l'axe optique du miroir principal doit arriver sur le centre optique du miroir secondaire et au centre optique de l'oculaire. On ajuste donc en dernier lieu l'angle du miroir principal par les vis d'ajustement de sa cellule. Si votre cellule du miroir primaire est muni de vis de blocage, vous devez en premier lieu déserrer ces trois vis. En regardant à travers le Cheshire, il faut centrer la réflexion de celui-ci exactement au milieu comme le montre l'image de gauche. C'est cette étape que vous devrez refaire à l'occasion car le miroir principal étant plus lourd à tendance à se désajuster durant le transport.
Remarquez bien que l'image de réflexion du Cheshire semble légèrement décalé (offset) dans l'ombre du miroir secondaire. Ceci est parfaitement normal à cause du léger offset entre le centre géométrique et optique du miroir secondaire. Si vous voyez exactement ce que montre l'image de gauche dans votre Cheshire, votre télescope est parfaitement collimaté. Il ne vous restera plus qu'à faire l'ajustement optimale sur une étoile. Si on se place devant le télescope et qu'on regarde par l'ouverture, on doit constater que la réflection du miroir secondaire doit arriver au centre du miroir primaire comme le montre l'image de droite.
Dans notre exemple pratique sur le télescope Newton 15cm F4, remarquez bien que lors de la collimation finale, l'ajustement du miroir primaire doit amener la réflexion du centre (petit trou) du Cheshire au centre de la croix (floue) comme le montre l'image du bas. Remarquez qu'il est normal surtout pour un F4 que l'image réfléchie du Cheshire soit lègèrement décalé dans la réflexion du porte secondaire à cause de la différence entre le centre optique et le centre géométrique (offset).
Si vous avez centré le miroir secondaire au centre du tube coulissant du porte oculaire, centré le centre optique du miroir primaire (petit anneau collé au centre du miroir) sur la croix du Cheshire et finalement centré le centre de la réflexion du Cheshire également au centre de la croix (floue) du Cheshire, votre télescope sera parfaitement collimaté. Vous pourrez utiliser un bon collimateur laser (idéalement un HOTECH) pour vous aider.
Les COLLIMATEURS LASERS sont très bien adaptés pour accomplir la deuxième étape soit d'aligner le centre optique du miroir secondaire sur le centre optique du miroir primaire. Lorsqu'on insère le laser dans le tube 1.25" du porte oculaire, la laser envoi son rayon sur le miroir secondaire qui lui, le réfléchi sur le miroir primaire. On remarque très souvent que le point réfléchi du laser sur le primaire arrive offset. Plusieurs facteurs expliquent ce qui peut se produire. Premièrement, rien n'est assuré que le miroir secondaire est parfaitement centré comme nous l'avons vu dans l'étape 1. Deuxièmement, si le tube coulissant du porte oculaire bouge sur son axe, le rayon réfléchi sur le miroir primaire arrivera à côté du centre optique de celui-ci. Troisièmement, est-ce que le miroir secondaire est bien placé au centre optique?
En résumé, l'outil idéal pour la collimation est sans contredit le Cheshire. En comprenant le fonctionnement des composantes optiques du télescope et en visualisant avec le Cheshire ce que nous devons obtenir à chacune des étapes, vous obtiendrez une collimation parfaite et vous n'aurez que très peu d'ajustement à faire lorsque viendra le temps de faire l'ajustement optimal de votre télescope sur le disque de diffraction d'une étoile fortement grossie. Vous verrez toute la différence.
