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N'ayez par peur des caméras CCD La révolution digitale (I)
Les amateurs sont quelquefois réticents à utiliser les nouvelles technologies. Pourtant depuis des années bon nombre d'amateurs utilisent des ordinateurs ou des appareils électroniques digitaux pour développer leur hobby, depuis l'appareil photo numérique, l'amplificateur d'image, le photomètre jusqu'aux télescopes entièrement robotisés parfois pilotés à distance. De nos jours ces technologies sont d'un prix abordable. Mais avant d'investir dans une caméra CCD, nous aimerions tous pouvoir répondre à une question : comment travailler avec une caméra CCD et accessoirement avec quel logiciel de traitement d'image ? Je me propose de vous expliquer cela en quelques pages. Depuis l'introduction des caméras CCD (Couple Charged Device ou Dispositif à Transfert de Charge) par SBIG dans la communauté des amateurs à la fin des années 1980, les plus audacieux ont pris l'habitude d'utiliser ces caméras digitales pour enregistrer la faible lumière qui tombait des étoiles et des objets du ciel profond. L'une des nombreuses raisons de cet engouement est la réduction drastique de la taille des composants électroniques. La seconde est leur prix qui diminue de 50% tous les 2 ans (loi de Moore). Enfin, parce qu'au siècle de l'Information, cet appareil digital peut-être contrôlé par ordinateur. Comme les APN, les caméras CCD sont des appareils sensibles à la lumière avec ce petit plus qu'ils sont fabriqués pour être pilotés par un instrument. Mais copmme les APN, ils sont capables de télécharger les images qu'ils ont en mémoire dans un ordinateur afin de les traiter ultérieurement. Vu leur dimension et leur poids, les caméras CCD supportent difficilement les petites installations légères à quelques centaines d'euros dont le poid excède rarement 1 kg; la caméra est plus lourde que toute l'installation ! On peut par contre les monter sans problème sur de petits instruments de 80 à 127 mm d'ouverture à condition qu'ils soient soutenus par une monture stable et équipés d'un adaptateur photographiqe approprié.
Un détecteur CCD ressemble à une petite plaque solaire dont la surface photosensible couvre souvent moins de 50 mm2 en général. Le tout est encapsulée dans un circuit électronique et présente des "pattes" comme un processeur. La carte est fixée dans un boîtier équipé de plusieurs entrées-sorties pour le système de refroidissement, l'oculaire, la roue à filtres, la connexion vers l'ordinateur et son alimentation. Ainsi que nous l'avons expliqué à propos des APN, le chip d'une caméra CCD est constitué de lignes et de colonnes de cellules photosensibles ou photosites que l'on appelle communément des pixels (de l'anglais "picture elements", éléments d'image) bien que ce terme soit trompeur car il caractérise en fait les constituants de l'image résultante. Nous continuerons toutefois à l'utiliser car il est entré dans le langage courant. Comme tous les accessoires électroniques high-tech, les détecteurs CCD utilisent le vocabulaire de la physique. C'est pourquoi on ne s'étonnera pas que même un débutant en cette matière emprunte son vocabulaire à la physique quantique et à l'électronique pour expliquer ce qu'il fait. A l'instar de la radioastronomie, "le temps d'intégration" signifie "exposition", "courant d'obscurité" signifie "bruit", "signal parasite" ou "électron", "blooming" signifie "surexposé", "saturé", "binning" signifie "combiner les pixels", etc. Mais ne vous inquiétez pas, après une heure de lecture vous serez prêt à entrer dans ce monde passionnant. Les performances des CCD Les caméras CCD présentent une grande efficacité quantique; 60% des photons frappant le détecteur sont enregistrés, ce qui est équivalent voire meilleur que certains systèmes professionnels. Elles ont également une excellente linéarité (le signal de sortie est presque proportionnel au nombre de photons incidents), sans échec à la loi de réciprocité durant les longues expositions comme leurs homologues argentiques quand on essaye de photographie les objets du ciel profond. Même des émulsions aussi performantes que le Kodak TP2415 hypersensibilisé ne peut se mesurer face au temps de réponse et à la résolution d'un détecteur CCD. La différence est au moins d'un facteur 10 pour 1 en faveur du CCD. Maintenant si je vous dis que vous pouvez obtenir en 2 minutes d'exposition ce que vous avez péniblement photographié sur votre film argentique en une demi-heure en restant dans le froid, vous réaliserez rapidement quel peut être votre avantage d'utiliser une caméra digitale ! Oui, les caméras CCD sont une véritable révolution... Cette remarquable technologie vous permet d'atteindre la magnitude 15 en une seconde d'exposition et la magnitude 19 en l'espace d'une minute au foyer d'un télescope de 200 mm f/10 ! Ces caméras CCD présentent une sensibilité équivalente à celle d'un film de plus de 20000 ISO, le grain en moins ! Les performances des caméras CCD diffèrent également les unes des autres par différents aspects. Le premier est le nombre de pixels que contient le chip, le produit du nombre de lignes par le nombre de colonnes; on parle de quelques millions de pixels sur un détecteur amateur à près de 150 millions de pixels sur un détecteur CCD professionnel. Le second aspect est la taille physique de chaque pixel (d'ordinaire entre 9 et 24 microns) et s'ils sont carrés ou rectangulaires. Le troisième aspect est appelé la profondeur des pixels; il s'agit de la quantité de valeurs binaires que l'on peut stocker pour coder la brillance d'un pixel. Enfin le dernier aspect est la sensibilité spectrale du chip.
Prenons par exemple la caméra CCD Apogée AP-9 l'une des plus performantes du marché. Elle utilise un chip KAF-1600 contenant 3072 colonnes de 2048 lignes, soit 6.3 millions de pixels, de loin supérieur à la résolution de la plupart des appareils photo numériques. Chaque pixel mesure 9 microns (0.009 mm) de côté, ce qui fait que le chip entier mesure seulement 27.6x18.4 mm, soit la taille d'un sucre. 16 bits sont utilisés pour digitaliser la brillance de chaque pixel, offrant par conséquent 216 soit 65536 niveaux de gris. Comme il faut 2 octets (bytes) pour coder 16 bits, chaque image occupe environ 12 MB sur disque ! Quant à l'une des plus petites caméras CCD, la Lynxx 2000 de SpectraSource, son chip offrant 320x240 pixels et 4096 niveaux de gris, ses fichiers ne dépassent pas la taille de 160 KB. Comme tous les capteurs CCD leur sensibilité spectrale est assez élevée dans le rouge et l'infrarouge jusqu'à environ 1.1 microns mais chute du côté des courtes longueurs d'ondes pour devenir très faible dans le proche ultraviolet, un peu à l'image de la courbe de réponse des photoamplificateurs. Consulter les paramètres des caméras CCD
Certaines caméras CCD incorporent également des dispositifs pour assurer le guidage automatique, les longs temps d'intégration et l'antiblooming (la saturation des pixels). Mais si vous essayez de capturer une galaxie de 21eme magnitude par seconde d'arc carré sur un chip dont les pixels ont une résolution d'une seconde d'arc, cela équivaut à essayer de capturer une étoile de 21e magnitude ! Vous comprendrez dès lors pourquoi il faut trouver une corrélation optimale entre le rapport focal de votre télescope et la dimension des pixels pour obtenir la meilleure sensibilité. Un bon compromis donnera une image qui présente un rapport signal/bruit élevé et un contraste normal sans réduire trop fortement la résolution. Un truc : pour les étoiles, le niveau de détection optimal d'une CCD est atteint lorsque l'image de l'étoile mesure environ deux fois la dimension d'un pixel (environ 20-25 microns) mais des pixels trop larges augmenteront aussi le bruit électronique. D'un autre côté de plus grands pixels donnent une meilleure sensibilité pour enregistrer les nébuleuses mais de plus petits permettent d'enregistrer les étoiles faibles... Enfin, pour photographier les galaxies vous aurez besoin d'une grande ouverture et d'un rapport focal très court afin d'obtenir des images stellaires bien définies sur toute la surface du détecteur. Que faut-il donc choisir ? C'est ici que vous démontrerez votre savoir-faire ! A consulter : Le calculateur CCD Magique de Ron Wodaski Pour vous aider, on peut dire que la résolution doit être définie en fonction de votre sujet, en prenant pour référence le théorème de l'échantillonnage de Nyquist qui précise que la taille du pixel (photosite) devrait être égale à la moitié du diamètre du disque de diffraction d'Airy. Sachant cela il est facile de calculer le rapport focal nécessaire pour atteindre cette résolution optimale : f = 2 x Taille du photosite / l Pour un pixel d'une taille de 10 microns et une sensibilité spectrale maximale à l = 0.7 microns, nous obtenons un rapport focal d'environ f/29 en astrophotographie planétaire. Cela correspond à une résolution d'environ 0.25"/pixels (206 * Taille du pixel / longueur focale), une valeur que l'on rencontre rarement en imagerie planétaires ou la résolution est plus souvent voisine de 0.7"/pixel (pour un télescope de 300 mm d'ouverture à f/10, 0.7"/pixel correspond à une résolution d'environ 1.5 km sur la surface lunaire, suffisante pour photographier de petites formations comme les dômes ou les failles en haute résolution). Pour le ciel profond, en raison de la diminution du rapport d'ouverture d'un facteur 5 ou supérieur, la résolution dépasse rarement 2"/pixel. Adopter une résolution supérieure pour photographier les galaxies donnerait certainement des images étonnantes mais cette configuration nécessiterait également des conditions d'observations rarement rencontrées, la résolution étant souvent supérieure à 1.5" durant les longues expositions. Sans oublier que votre champ de vision sera également réduit. Pour information, un chip CCD comme le KAF-0400 qui est utilisé avec la caméra SBIG ST-7 couvre un champ de 18.5'x12.4' au foyer d'un télescope Schmidt-Cassegrain de 200 mm f/6.3 (6 fois plus petit qu'une image 24/36) et plusieurs chips sont même en-dessous de ces valeurs.
Prochain chapitre Les temps d'intégration et les problèmes habituels |
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