Astrophotographie

Le matériel présenté ici est celui avec lequel je me suis initié il y a quelques années. Il va de soi que l'évolution rapide des caméras et APN le rend déja dépassé. J'ai donc été conduit à le renouveler (voir détail en fin d'article). Il n'en demeure pas moins vrai que les principes de mise en oeuvre restent les mêmes. L’amateur qui souhaite donc s’initier à moindre frais à la prise de vue astronomique peut modifier une webcam ou acquérir une caméra CCD peu onéreuse, comme la caméra Deep Sky Imager conçue pour l’imagerie astronomique.

DSI: capteur couleur CCD sony ICX254AK.
Capteur: 1/3 Pouce (diag.6mm)
Pixels effectifs : 250.000
Taille pixel: 9.6μm×7.5μm

SPC 900: capteur CCD couleur Sony ICX098BQ.
Capteur : ¼pouce (diag.4.5mm)
Pixels effectifs: 330.000
Taille pixel : 5.6μmx5.6μm

L’avantage de la caméra DSI par rapport à la webcam SPC 900, réside dans le fait qu’elle permet directement d’obtenir des images alors qu’une webcam nécessite d’être modifiée dans sa partie électronique pour pouvoir effectuer des longues poses. Concernant leurs capteurs CCD, on ne peut pas être aussi tranché, même si la taille des pixels de la DSI, (9.6 x 7.5 microns) est supérieure à celle de la webcam (5.6 x 5.6 microns), bien que théoriquement, la « dynamique » dépende de la taille du photosite. Dans ce cas le capteur de la DSI serait supérieur. La DSI est en outre doté d’un convertisseur analogique/numérique 16 Bits (alors que la webcam fonctionne en 8 bit) qui permet donc d’obtenir des images en couleurs à très faible bruit et assez bien détaillées. La DSI tout comme une webcam nécessite cependant un ordinateur pour son pilotage et l’acquisition des images. Concernant la résolution en revanche, la SPC 900 affiche un plus grand nombre de pixels. Le gros handicap de ces petites caméras réside dans la taille de leurs capteurs qui ne permet pas d’imager facilement des objets de grande dimension. En revanche elles s’avèrent très performantes par rapport à leur faible coût sur les images planétaires ou sur les objets du ciel profond de très petite taille comme les nébuleuses planétaires et certaines galaxies.

EOS 300* Canon: Capteur couleur CMOS haute sensibilité/haute résolution.
Taille du capteur : « APS »( diagonale: 34.2mm)
Nombre de pixels effectifs: 6.300.000.
Taille d’un pixel : 7μm x 7μm.
Solution idéale pour l’amateur, l’appareil photo numérique possède une taille de capteur nettement supérieure à celle d’une petite caméra et ouvre la possibilité de réaliser des prises de vue d’objets de grande taille avec des résolutions excellentes.
Si l’appareil possède une pose B, c’est-à-dire une possibilité de choisir de longues durées d’exposition (plusieurs minutes), il peut convenir pour l’astrophotographie. Mais ici encore, des modifications plus délicates sont indispensable pour exploiter les ressources des capteurs numériques, qu’ils soient CCD ou CMOS, en particulier pour leur permettre de détecter la plus grande plage possible du spectre émis par les objets photographiés.

*Des appareils possédant de bien meilleures résolutions sont disponibles sur le marché depuis mon acquisition de ce modèle.

L’utilisation, quant à elle, de véritables caméras CCD spécialisées pour l’astronomie est réservée aux amateurs de haut niveau ou aux professionnels. Il n’est pas rare que ces caméras aux performances exceptionnelles aient également un prix d’achat très élevé (milliers, voir dizaines de milliers d’euros).

Une Webcam est une petite caméra électronique. Ici la SPC 900 Philips qui peut, moyennant une modification, permettre d’imager la Lune et les planètes avec une résolution correcte. Pour obtenir des vues de planètes avec une webcam, il suffit de filmer puis de ne retenir que les bonnes images du film en les assemblant avec un logiciel capable de former l’image finale.  La possibilité d’effectuer des longues poses (équivalent de la pose B sur un appareil photo) moyennant une modification permet de surcroit d’aborder à moindre frais l’imagerie des objets du ciel profond.

Sur la base d’une webcam achetée dans le commerce, j’ai modifié la platine supportant le capteur CCD en insérant un circuit intégré qui va servir à la piloter pour qu’elle fonctionne au choix, comme un appareil photo ou comme une caméra vidéo. Ensuite, un logiciel (WcRmac) me permettra de donner mes instructions à l’EPROM (cœur informatique de la webcam) pour choisir le mode de traitement numérique « à la source » et le format de restitution des images vers l’ordinateur (bmp, bmp optimisé ou raw).
Si les webcams modifiées présentent l’avantage de permettre, pour un coût modique, d’accéder à l’imagerie numérique, la petite taille de leur capteur CCD (¼ de pouce) limite leur champ d’utilisation. Un autre inconvénient réside dans la température du capteur qui augmente lors de poses longues ce qui a pour effet de dégrader les performances, par l’apparition de bruit et de pixels chauds.

Les appareils photographiques du commerce sont conçus pour être utilisés dans des conditions normales d’éclairage et non pour photographier dans le noir des objets faiblement lumineux qui émettent parfois des rayonnements dans un spectre qu’un appareil ordinaire ne peut déceler. Pour optimiser le fonctionnement de ce dernier, il faut effectuer une modification qui lui permet de capter la plus grande plage possible du spectre lumineux émis par les objets que l’on souhaite imager. Sur la courbe ci-dessous, on peut voir l’amélioration apportée par la transformation opérée sur le capteur numérique d’un EOS 300D Canon. La courbe bleue représente ce que peut « voir » un appareil normal (tel qu’il est livré lors de l’achat). La courbe rouge représente ce qu’un appareil modifié peut déceler. On remarque un accroissement considérable de la sensibilité du capteur, notamment dans les parties rouges du spectre.

Pour effectuer cette modification, on doit démonter totalement l’appareil et supprimer le filtre infrarouge Canon d’origine, pour le remplacer par un filtre « Baader » laissant passer la lumière de l’hydrogène H-alpha, fortement présente dans les nébuleuses, mais trop faiblement restituée par un appareil non modifié (voir graphique transmission/longueur d’onde).

Sur la première bande ci-contre on peut visualiser le spectre de la lumière de 4.000 à 7.000 Angstrom (1 Angstrom = 10-7 mm. abréviation: A) de longueur d’onde perceptible par un appareil photo standard. Sur la bande inférieure, on constate le gain significatif obtenu dans les rouges à partir de longueurs d’ondes 5.500 A jusqu’à 7.500 A. Sur une photographie de nébuleuse gazeuse la différence est très importante. Un  APN ainsi modifié, moyennant une retouche de la balance des blancs, restitue donc avec davantage d’intensité les couleurs comprises dans la plage des 5.500 à 7.000 A.

Renouvellement de mon matériel : 

L’évolution technologique sur les capteurs m’a conduit à renouveler le matériel que j’utilisais pour les prises de vue. Je me suis donc pourvu de :

1) Boitier reflex EOS7D défiltré (par mes soins et de la même manière que celle décrite ci-dessus) en remplacement du EOS300D. Le Canon EOS7D est doté d’un capteur APSC de 18 millions de pixel bien plus performant que celui du 300D (6.3 Mp) soit 5184x3456 pix au lieu de 3072x2048 et il est bien plus sensible à bruit équivalant.

Il possède un viseur plus performant, un relevage du miroir qui évite les vibrations et il est alimenté par un câble extérieur. Je lui adjoint également un intervallomètre dédié.

2) Caméra noir & blanc ASI290 mini, que je réserve essentiellement à l’hélio-spectrographie (voir article) , issue du catalogue du fabricant chinois ZWO qui propose des produits d’entrée de gamme remarquablement performants et abordables. Son capteur CMOS monochrome de 2,3 millions de pixels (1936 x 1096 pixels) possède une grande sensibilité et ses pixels de très faible taille (2,9 μm) autorisent un bon niveau de détails.
Cette caméra possède également d'excellentes performances dans le domaine de l'imagerie planétaire car sa vitesse d'acquisition atteint la cadence de 20,4 img/sec à la résolution de 1936 x 1096. Mais elle peut être poussée à 356 img/sec en mode en plus faible résolution (320 x 240 pixels).
Caractéristiques :

CMOS - 12 bit Monochrome 1/1.28"
Taille du capteur :5,61 mm x 3,18 mm
Nombre de pixels :1936 x 1096 pixels
Taille des pixels :2,9 µm x 2,9 µm
Capteur : CMOS Sony IMX291 monochrome
Connexion : USB 2.0
Poids :60 g
Temps de pose minimal :0,000032 seconde
Temps de pose maximal :33 minutes
Alimentation : mini-USB
Rendement Quantique :80%

Caméra couleur ASI385. Du même fabriquant ZWO elle est dotée d’un capteur couleur de 2,13 millions de pixels (1936 x 1096 pixels). Ce capteur Sony IMX385C possède des pixels de 3.75 µm est particulièrement performant. Sa sensibilité, est deux fois plus élevée que celle des capteurs utilisés jusqu’alors dans cette classe de matériel et son rapport signal/bruit de 0.13lx est parmi les meilleurs au sein des capteurs compatibles full HD. (ce capteur est d’ailleurs utilisé dans bon nombre d’applications industrielles ).
En mode planétaire, sa vitesse d'acquisition atteint la cadence de 120 img/sec en pleine résolution, ce qui fait d'elle une des plus rapides du marché. Cette vitesse d'acquisition permet de "figer" la turbulence en imagerie planétaire et donc d'obtenir une image finale pourvue de nombreux détails.

En outre, elle est livrée avec un objectif fish-eye de 2,1 mm de focale qui permet la capture de météores lors d'une surveillance systématique du ciel en mode très grand champ.

Taille du capteur : 7,26 mm x 4,11 mm / 8,35 mm diagonale
Nombre de pixels : 1936 x 1096 pixels
Taille des pixels : 3,75 µm x 3,75 µm
Capteur : CMOS Sony IMX385 couleur - 1/2"
Nombre d'images par seconde : 120 images / seconde en résolution 1936 x 1096 pixels