Imagerie grand-champ numérique avec le Canon EOS 10D
Wide-field survey of the sky with the CANON EOS 10D

 

Sommaire : Un appareil photographique numérique reflex et un téléobjectif dans la gamme de focale 100 mm à 300 mm constitue déjà un petit instrument astronomiques, capable non seulement de délivrer de "belles images", mais pouvant aussi engranger des informations scientifiquement exploitables. La compacité, l'autonomie, la simplicité d'utilisation et la performance intrinsèque sont des atouts très fort, pouvant motiver de nouveaux observateurs à découvrir l'imagerie astronomique numérique, une branche passionnante de notre loisir.

Cette page présente des résultats caractéristiques obtenus avec appareil photographique numérique Canon EOS 10D associé au téléobjectif de 200 mm f/2.8 de la marque (EF 200mm f/2.8L II). Certaines performances essentielles sont évaluées : la résolution et la magnitude limite. Les conditions de prises de vues pour ces tests sont peut favorables : en bordure de la ville de Toulouse, au milieu d'un champ de lampadaires boules produisant une intense lumière parasite (lampes au sodium haute-pression). La magnitude limite à l'oeil est évaluée à 2 en masquant la lumière directe des lampadaires. Les observations ont été faite en mars et en avril 2004.

La combinaison 10D+200 mm offre un champ angulaire de 6,6° x 4,4° (capteur de 3080 x 2056 avec des pixels de 7,5 microns). Ces dimensions sont inhabituelles chez les amateurs lorsqu'il est question d'imagerie numérique. L'avènement des appareils reflex numériques ouvre indiscutablement des perspectives pour l'imagerie numérique grand-champ à relativement bas coût. Outre l'aspect esthétique des images (non vraiment recherchée ici compte tenu du lieu d'observation), un tel ensemble permet d'envisager la découverte de novae, de comètes ou de tout autre phénomène variable dans le ciel nécessitant une surveillance à grande échelle. Les chances de succès dans ces domaines sont fortes à condition de réaliser des observations un peu systématique et de dépouiller avec rigueur et efficacité le volumineux de données contenu de chaque image (des procédures automatiques existent).

Summary: The photographic lens Canon EF 200 mm f/2.8L associated to a Canon EOS 10D is tested in the perspective of systematic search of novae, comets, new variables...  The review is very preliminary because the very bad observation conditions (the observatory is located near a large city (Toulouse, south of France -  naked-eye limit is only 2). The instantaneous field-of-view is 6,6° x 4,4° and stars of V magnitude 16 are detected after 15-minutes exposures (remember the severe sky pollution). In association with automatic software analysis the potentiel of this type of  modern and consumer equipment is really great for scientific survey programs.
 Here a page dedicated to the evaluation of photographic lens sharpness.

NGC4565


CANON EOS 10D + CANON 200 mm f/2.8 @ f/2.8
Image entière du champ de la galaxie NGC4565 / Full frame of NGC4565 field.  Exposition / Exposure : 27 x 180 sec - ISO 400
La taille de l'image est réduite d'un facteur 0,3 / The image is resized by a factor 0.3.
Le nord est à gauche / The north if left


Partie d'image à l'échelle originale (la galaxie à gauche est NGC4559) / Part of the full frame at original scale (the left galaxy is NGC4559).

  
A gauche un détail de l'image Canon, à droite image réalisée avec une flat-field cameraLichtenecker de 190 mm (extraite du Buil-Thouvenot Atlas).
Left the EOS image, right an image taken with a 190-mm flat-field Lichtenecker camera - Audine CCD camera (extracted from the Buil-Thouvenot Atlas).
La résolution de l'image EOS a été légèrement accrue en utilisant la technique du drizzle / The drizzle method is used for slightly increase resolution of the EOS image.

AMAS DE GALAXIES ABELL1656 / GALAXIES CLUSTER ABELL1656
ALPHA : 13H00.0 - DELTA : +38° 00' 


CANON EOS 10D + CANON 200 mm f/2.8 @ f/2.8 - Exposition / Exposure : 21 x 180 sec - ISO 400 - The image is resized by a factor 0.3


CANON EOS 10D + CANON 200 mm f/2.8 @ f/2.8 - Exposition / Exposure : 21 x 180 sec - Taille originale / Original size

  
A gauche, une vue en négatif de l'image EOS. A droite, une image extraite du Buil-Thouvenot Atlas (Instrument CN-212  + Audine KAF-1600) - Cliquer pour agrandir.
Left, negative view of the EOS image. Right, an image from the Buil-Thouvenot Atlas (Instrument CN-212  + Audine KAF-1600) - Click for enlarge.

MESSIER 13 
 

CANON EOS 10D + CANON 200 mm f/2.8 @ f/2.8 - Exposition / Exposure : 11 x 180 sec - ISO 400
La taille originale est réduite d'un facteur 0, 3 / The original size is reduced by a factor 0.3
Le nord est à gauche / The north if left

 
Détail de l'image de M13 / Crop of the M13 image
Le contraste des couleurs a été augmenté avec la commande asinh de Iris (asinh 0.0015 2)
The colors contrast are booted by the Iris commande asinh (asinh 0.0015 2)


Détail du champ de M13 / Detail of the M13 field.
Ce rappeler que cette image a été acquise une focale très courte (200 mm) / Remember the very modest focal length of the instrument (200-mm).

MESSIER 57


Image complète du Canon EOS 10D (sud de la constellation de la Lyre) / Canon ESO 10D full frame (Lyra constellation southern region).
Compositage de 12 images de 3 minutes / Stack of 12 x 3 minutes exposures. ISO 400.
Le nord est en haut / North is up.
 
 
Detail du champ de M57 / Detail of the M57 region

   
Les images ci-dessus ont été réalisées avec le 10D associé à l'objectif de 200 mm et le doubleur Canon 2x (focale résultante de 400 mm à f/5.6). A un gauche, un compositage de 10 images posées 3 minutes. La balance de couleur n'est pas appliquée. Au centre, le compositage de 8 pose de 5 minutes au travers d'un filtre interférentiel calé à 630 nm et de 25 nm de bande passante. A droite, on a ajouté à la composante rouge de l'image de gauche l'image Ha multipliée par 5.
Add of a Ha exposure to the R channel (Canon 200 mm + Canon 2x Extender).

   
L'images de M57 réalisées à la focale de 400 mm grace au double de focale (30 minutes de pose au total), visualisées pour montrer les objets faible. A gauche, image en couleur, au centre image noir et blanc réalisée en additionnant les canaux R, G et B. A droite, agrandissement d'un facteur 3 de l'original, avec la magnitude V de quelques étoiles. La magnitude V=16.5 est atteinte (voir ici).
Faint objet in the M57 image (200 mm f/2.8 + Extender 2x). Left, color image, centrer B&W image (mean of R, G and B channel). Right some V magnitude are added. The limit magnitude for a 30 minutes exposure is near V=16.5 (see here).

M65, M66,NGC3628 group

 
200 mm @ f/4 - 24 x 4 minutes - ISO 800

 
Visualisation en négatif de la même région / Negative view of the same region.

Agrandissement d'un facteur 3 de la galaxie M66 (quelques magnitudes V sont indiqués - voir The Astronomical Journal 108, 2234-2250, 1994)
Scaling by a factor 3 of the M66 galaxie (some V magnitude are marked - see The Astronomical Journal 108, 2234-2250, 1994).

Le document suivant a été aimablement fourni par Thierry Demange. Il montre le champ M65/M66/NGC3628 réalisée toujours avec un Canon 10D, mais cette fois associé au téléobjectif Canon 300 mm f/4L. Le temps de pose total est de 55 minutes (11 clichés de 5 minutes additionnés). Un ciel bien noir et un téléobjectif puissant permettent d'atteindre ici une magnitude estimée à 17,0.

Pour comparaison, détail d'une image acquise par Thierry Demange avec un téléobjectif Canon 300 mm f/4L @ f/4 - 11 x 5 minutes.
For comparison, detail of an image taken by Thierry Demange with a Canon 10D and a Canon 300 mm f/4L @ f/4 - 11 x 5 minutes.

NOVA OPHUICHI 2004 (V2574 Oph)

  
Canon EOS 10D + Canon 200 mm @ f/2.8
A gauche, une image unique posé 3 minutes. A droite, compositage de 8 x 3 minutes exposure. 25.06 avril 2004
Left, an unique 3 minutes exposure. Right, stack of 8 x 3 minutes exposure. 25.06 April 2004
Magnitude 10.9 - Pour un spectre de cette nova cliquer ici / For a spectrum of this nova click here.

NOVA SAGITTARII 2004 (V5114 Sgr)

  
Canon EOS 10D + Canon 200 mm @ f/2.8
A gauche, une image unique posé 2 minutes. A droite, compositage de 13 x 2 minutes exposure. Date : 25.08 avril 2004
Left, an unique 2 minutes exposure. Right, stack of 13 x 2 minutes exposure. Date: 25.08 April 2004
Magnitude 12 - Pour un spectre de cette nova cliquer ici / For a spectrum of this nova click here.
L'aspect rouge de la nova  vient de l'emission pratiquement exclusive de la raie Ha  / The red aspect of the nova is from a pure Ha emission

COMPARAISON SANS ET AVEC DOUBLEUR
COMPARISON WITH AND WITHOUT EXTENDER

  
A gauche, l'objectif Canon de 200 mm L II USM utilisé seul à l'ouverture de f/2.8 (cumul de 5 pose de 3 minutes) L'image est agrandie d'un facteur 2 avec une interpolation spline. A droite, ajout d'un doubleur Canon EF 2X II (cumul de 6 poses de 3 minutes). L'ouverture équivalente est de f/5,6. Le doubleur Canon s'avère être un très complément de l'objectif de 200 mm de la marque!.
Left, the Canon 200 mm L II USM used at f/2.8 (stack of 5 x 3 minutes exposures). The image is rescaled by a factor 2 (spline interpolation). Right, add of the extender Canon EF 2x II (stack of 6 x 3 minutes exposures). The equivalent relative aperture is f/5.6. The Canon 2x Extender is a very good complement for the 200 mm f/2.8.

LE SOLEIL / THE SUN


Canon 200 mm L @ f/8 + doubleur de focale Canon EF 2x II (03/04/2004). Image à l'échelle originale. Moyenne de 8 images et léger masque flou sous Iris.
Canon 200 mm L @ f/8 + Canon extender EF 2x II (03/04/2004). Original scale. Mean of 8 frames and soft unsharp masking under Iris.

 LA LUNE / THE MOON



A droite, addition de 30 images de la Lune avec le doubleur Canon (focale équivalente de 400 mm). A gauche, fort accroissement de la saturation des couleurs (utilisation des commandes RGB2HSI et HSI2RGB de Iris). Les vraies couleurs de la Lune de la Lune sont mises en évidence. Ce type d'image est précieux pour interpréter à distance la surface du sol. Par exemple Mare Tranquillitatis avec sa couleur bleu foncé est plus riche en titane que Mare Serenitatis Un effet de phase rougit le terminateur (le moment idéal pour réaliser de telles vues est lors de la Pleine Lune).
Cliquer ici pour un autre exemple obtenu avec une caméra CCD.
Left, stack of 30 frames taken with the Canon 2x extender (400-mm equivalent focal length). Right, boost of the colors contrast (use of RGB2HSI and HSI2RGB functions of Iris). The true colors of the moon are evident. This lunar image is helpful for interpreting the surface soil composition. For example Mare Tranquillitatis, seen as a deep blue, is richer in titanium than Mare Serenitatis.. A red phase effect is also visible (the full-moon is the ideal instant for this type of images).
Click here for a CCD camera example.


A gauche, une image très spéciale de la Lune, résultat d'une analyse en Composantes Principales. Ce traitement permet de différentier de très subtiles différences de couleurs (forte decorrélation dans l'espace RVB) et il est souvent utilisé pour l'étude géologique de la surface du sol des planètes. Noter ainsi la région particulière autour du cratère Lalande près du centre de la Lune. A droite, accentuation des couleurs dans le domaine PCI, toujours plus efficace que dans l'espace RGB (cliquer ici pour une procedure et consulter le manuel de référence de Iris).
Left, a very special view of the moon, result of a Principal Component Analysis (PCA). This processing differentiate very well subtle colors (highly decorrelated color space) and it is useful for geological studies of planetary surfaces. Right, a boost of color in the PCA space, always more efficient then a RGB space boost (click here for a procedure and consult the reference manuel of Iris).

BALANCE DE COULEURS DU CANON 10D/300D
COLORS BALANCE OF THE CANON 10D/300D

The color balance for a solar type light is estimated by the measure of continental regions of the moon (WHITE command of Iris). Relative to a RAW image the color balance coefficients are:
RED = 1.84
GREEN = 1.00
BLEUE = 1.28

The color balance is also controlled on solar type stars (G2V).  See here a list. I used the WHITE2 command of Iris (gaussian fit of the star PSF). The stars used are HD141004 and HD146233. The result is dependant of the algorithm used for the transfert of a RAW frame to a RGB frame.

Result for HD141004:
Linear interpolation - R = 2.33 - G = 1.00 - B = 1.11
Gradient interpolation  - R = 1.61 - G = 1.00 - B = 1.06

Result for HD146233:
Linear interpolation - R = 2.06 - G = 1.00 - B = 1.25
Gradient interpolation  - R = 1.54 - G = 1.00 - B = 1.16

Note: for deep-sky image, I recommend linear interpolation (the stars are less sharpen but the noise is also less).

The interpretation is not easy but finally, I have adopted this generic coefficients for my proper work:
RED = 1.98
GREEN = 1.00
BLEUE = 1.20

The well know lack of red-sensitivity for the Canon DSLR is very evident. Note an important consideration, the result is valuable for continuum spectrum, not for balance an emission line nebula (a very subjective problem !).

MEASURE OF THE CANON 200 MM VIGNETTING
 

ASSISTANCE POUR FOCALISER / ASSISTANCE FOR FOCUS


Focaliser correctement une optique ouverte à f/2,8 n'est pas toujours simple. En attendant de réaliser une petite motorisation pour cela, agissant sur la bague de mise au point de l'objectif, voici une montage très rustique qui améliore la sensibilité du réglage. Noter l'usage de l'intervalomètre TC-80N3 vraiment très pratique pour l'enchaînement des prises de vue et qui constitue un vrai plus du système Canon.
Before the construction of a precise and specific electrical focus, a very rustic and manual tips for assist focus of the f/2.8 beam. Note the use of the TC-80N3 intervalometer, a must of the Canon system. 


Fin d'observation au petit jour / End of the observation at twilight (note the suburban conditions).

Conclusion

En une seule pose un appareil numérique reflex type Canon EOS 10D ou 300D associé à un téléobjectif de 200 mm couvre un champ de 29 degrés2 sur la voûte céleste. En 15 minutes de pose ce même ensemble approche la magnitude V de 16 (pour les conditions du présent test, peu favorables).

L'optique utilisée, un Canon EF 200mm f/2,8L, donne des images d'un bon piqués, même si l'exemplaire utilisé souffre d'un léger problème d'alignement interne : un défaut quasi chronique sur les optiques photographiques. Malgré cela  il faut tout de même admettre que cette optique série L, très lumineuse, est assez au dessus du lot en terme de qualité image.  Elle a été ici notablement sous utilisée à cause de la pollution du ciel. Une page est consacré au test en résolution de quelques optiques pour boîtiers reflex Canon, pour l'afficher, cliquer ici.

Une appareil reflex numérique tel que le Canon 10D dispose de performances séduisantes, que l'on peut voir comme complémentaires par rapport à une caméra CCD astronomique. Cette dernière a pour elle, et pour très longtemps encore, un avantage en terme de sensibilité, estimée entre 2 et 3 magnitudes pour une pose identique, ce qui est une différence considérable et déterminante dans bien des secteurs de l'astronomie, y compris celui de la "belle image". Et il faut tordre le coup à cette rumeur qui laisse croire qu'il est plus difficile d'utiliser une caméra CCD refroidie qu'un appareil photographique numérique (APN) : c'est à la rigueur peut être vrai sur le terrain, mais un APN est très exigeant lors des prises de vue (le défaut de sensibilité demande bien plus de patience qu'avec une caméra CCD), et aussi plus d'effort devant l'ordinateur pour aboutir à une image acceptable. Clairement, les fabriquants d'APN n'ont pas pensé aux astronomes lors de la conception ! Opposer appareil photo numériques et caméra CCD est vain et constitue un leurre.

Dans le domaine de l'imagerie à très grand-champ, compte tenu des performances mesurées, l'ensemble APN reflex et téléobjectif est potentiellement efficace pour une recherche méthodique de novae, de comètes, de nouvelles étoiles variables. On peut souligner par ailleurs qu'un système aussi compact, achetable dans le commerce de proximité et "relativement simple" à mettre en œuvre est un bel outil pour découvrir le ciel en numérique : galaxies, nébuleuses, ou encore astéroïdes, sont à portées de main. Ceci offre de belles opportunités dans le cadre d'une approche pédagogique de l'astronomie, ou tout simplement, pour se faire plaisir.



 

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