Aussi, vous pouvez obtenir des versions agrandies des illustrations en cliquant sur
celles-ci.Cet article résume très sommairement des principes de base du fonctionnement des caméras CCD de première génération. Aujourd'hui, il existe plusieurs nouveaux modèles de caméras CCD encore plus performants. Pour une information plus complète et détaillée sur le sujet, consultez le dossier "Guide complet pour choisir sa caméra CCD"NOTE:
Aussi, vous pouvez obtenir des versions agrandies des illustrations en cliquant sur
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Par
Denis Bergeron
Les astronomes amateurs d'aujourd'hui sont comblés par les nouvelles ressources qu'offre la technologie moderne qui nous apporte de plus en plus de produits performants nous permettant ainsi d'atteindre de nouveaux sommets. Mais celle-ci ne se fait pas sans en payer un certain prix!
Est-ce que le coût en vaut la peine? Cette question devrait être posée par tous les intéressés avant d'investir temps et argent dans ce domaine particulier. Une analyse approfondie s'impose et celle-ci s'adresse à tous les nouveaux venus sur le point d'adhérer à cette nouvelle technologie qu'est l'imagerie CCD et le traitement informatique des images.
La première question à se poser est celle-ci: Pourquoi est-ce que je m'intéresse à cette technologie? Est-ce que je suis prêt à mettre les efforts nécessaires à la maîtrise de ces nouvelles notions? Est-ce que je suis prêt à investir dans des équipements dispendieux? Qu'est que cela m'apportera sur le plan personnel? Est-ce que je pourrai utiliser ces équipements suffisament pour en rentabiliser mes investissements? Autant de questions qu'il importe de se poser avant de faire le grand saut dans de folles dépenses. Essayons donc de lever le voile sur les avantages et inconvénients qu'offre cette nouvelle technologie que sont les CCD par rapport à la photographie conventionnelle. (CCD: «Charged Coupled Device» ou en français, DTC pour «Dispositif à Transfert de Charge)».
Disons au départ que cette technologie est en force depuis de nombreuses années dans les sondes spatiales et les télescopes professionnels du monde entier et que le marché s'ouvre maintenant au niveau des amateurs. On voit de plus en plus apparaître dans le commerce de nouvelles caméras CCD abordables et des logiciels de traitement d'image de qualité professionnelle. De nombreux livres et revues spécialisés font leur apparition sur le marché et l'amateur y verra une occasion de se documenter sur le sujet. Mais comment ces nouvelles caméras sont-elles si avantageuses par rapport à la photographie conventionnelle?
L'astronome amateur qui pratique son loisir préféré est un jour ou l'autre confronté au désir d'observer les objets célestes qu'il voit un peu partout dans les volumes d'astronomie. Il veut voir de ses yeux la lune, les planètes, les amas d'étoiles, galaxies, ect. Il débute par l'apprentissage de son ciel à l'aide de cherche-étoiles, cartes et jumelles. Il poursuit son cheminement par l'achat d'un télescope de petit diamètre puis si l'intérêt persiste par l'achat ou la construction d'un instrument de plus grand diamètre.
A mesure qu'ils découvrent les merveilles de l'univers, rares sont ceux qui résistent à l'envie d'immortaliser un jour ou l'autre ces splendeurs célestes sur une belle photo qu'ils pourront partager avec leurs amis.
Cependant, notre amateur s'aperçoit vite qu'il lui faudra maîtriser les nouvelles notions de la photographie conventionnelle et les techniques de prises d'images à travers un télescope. Il s'apercevra aussi qu'il lui faudra investir énormément d'efforts pour maîtriser la technique et qu'en plus, il devra s'expatrier vers des lieux où le ciel est parfaitement noir et exempt de pollution lumineuse. Il devra à chaque fois assurer le transport, voir à monter ses instruments, à aligner le tout et procéder à la prise des images. Une tâche tellement ardue qui risque d'en décourager plusieurs ou du moins d'en ralentir l'intérêt à un moment donné.
De plus, la plupart des astrophotographes sont confinés dans les villes et rares sont ceux qui persévèrent à poursuivre longtemps dans ce domaine. POURQUOI? Ce n'est pas que leurs équipements soient inadéquats mais c'est surtout le temps et la charge de travail que cela demande. Avec la photographie conventionnelle, il est quasi impossible de vaquer à notre loisir en ville. Il nous faut donc partir à la conquête des ciels noirs avec nos équipements.
Pour ceux qui sont cependant choyés par le ciel et l'équipement, une tâche colossale les attend s'ils désirent atteindre le sommet de leurs espérances en astrophotographie conventionnelle. Pour obtenir une belle image d'une galaxie, d'une nébuleuse ou d'un amas au foyer primaire d'un télescope, il faut exposer notre image durant de longues minutes parfois même des heures. Il faut guider notre télescope de façon à compenser la rotation de la Terre et ce quelque soit la température ambiante. Cette tâche ingrate peut maintenant être automatiquement assumée grâce à des caméras CCD conçu pour l'autoguidage de télescope (SBIG ST-4) qui s'en acquitte avec brio. Mais encore faut-il avoir et maîtriser ces appareils!
Une fois les images prises, notre astronome devra procéder lui-même au développement de la pellicule et ensuite à son agrandissement en chambre noire. Il pourra le faire faire dans le commerce mais il s'apercevra rapidement que la qualité laisse à désirer. Plus tard, il sera intéressé à la photographie couleur et son cheminement le conduira probablement à développer et agrandir des photos et diapositives en couleur...
On s'aperçoit finalement que notre astronome a dû investir énormément d'efforts, temps et argent pour atteindre le sommet de sa gloire pour à peine quelques images splendides de ses objets préférés. Mais qu'en a-t-il retiré, lui, sur le plan personnel? Est-ce qu'il n'a pas découvert plusieurs de ses qualités intérieures comme la volonté d'apprendre, de relever des défis, de vaincre les difficultés et d'apprécier les résultats?
Est-ce qu'il utilisera ses connaissances et ses équipements photographiques uniquement pour l'astronomie ou s'il les utilisera aussi à d'autres fins? Je crois sincèrement que notre passionné aura retiré malgré les nombreuses difficultés énormément de satisfaction de son loisir et qu'il aura passé de très bons moments.
Il vient cependant un temps où nous atteignons la limite de nos possibilités et celles de nos instruments. L'astronome passionné par l'astrophotographie confiné en ville, ayant une famille et un travail exigeant sera peu enclin à s'expatrier en campagne pour s'adonner à sa passion. Il est fort probable qu'il abandonnera.
L'astrophotographie conventionnelle serait-elle donc limitée seulement à ceux qui ont la possibilité d'avoir accès aux ciels noirs? La réponse serait OUI pour ceux qui utilisent les films conventionnels et NON pour ceux qui utilisent les caméras électroniques CCD. Pourquoi?
Le film conventionnel enregistre la lumière durant un certain temps
puis se sature à cause d'un phénomène appelé RÉCIPROCITÉ. Passé le seuil critique là où
la courbe se stabilise, le film n'enregistre plus d'informations et l'image commence à se
voiler. Que vous exposiez longtemps n'ajoutera rien à votre image. Des expositions de 15
à 20 minutes constituent souvent la limite dépendant de la qualité du ciel, du
film et du type
d'instrument utilisé.
Pour améliorer la réponse de sensibilité du film, on avait recours à des processus de refroidissement du film à des températures extrêmement basses ou on utilisait une technique qui consistait à hypersensibiliser le film dans un gaz constitué de 92% d'azote et 8% d'hydrogène. La courbe de réponse permettait de relever légèrement la courbe de sensibilité du film mais en augmentant substantiellement le temps d'exposition. Les nouveaux films à grains améliorés ont permis d'augmenter la sensibilité sans trop souffrir d'une augmentation du grain. Il reste cependant un problème: il est impossible d'utiliser la photographie conventionnelle en ville à cause de la pollution lumineuse.
La caméra électronique CCD consiste en une plaquette de microscopiques cellules
photosensibles appelées PIXELS occupant chacun une position en X et Y un peu
comme un quadrillage et ayant chacun une
sensibilité propre dont le signal peut être réparti entre 256 (8 bits), 4096 (12
bits) ou 65536 (16 bits) niveaux de gris. Plus la plaquette contiendra de
pixels et plus les pixels seront petits, meilleure sera la résolution du CCD.
Les caméras CCD commerciales les plus populaires possèdent des matrices composées de pixels dont la grosseur varie de 6,8 microns à 25 microns. Le nombre de pixels varie selon le modèle de caméra. Plus le pixel est gros, meilleure sera la sensibilité mais moins bonne sera la résolution. Il faut acquérir une caméra CCD en fonction de ses instruments et de ses besoins.
Grâce à leur très grande sensibilité, les bonnes caméras CCD peuvent atteindre des magnitudes très faibles en quelques minutes d'exposition et ce même avec un petit instrument. J'ai atteint la magnitude +17 avec mon petit télescope de 10cm F10 (CRITERION 4000 muni d'un télécompresseur me donnant F5) en 10 minutes d'exposition seulement avec ma caméra SBIG ST7E.
Les
caméras CCD souffrent cependant de bruit électronique provenant de
différentes sources. Le principal bruit provient surtout des composantes de
l'électronique. Pour en diminuer l'effet, on utilise un système de refroidissement à EFFET PELTIER muni d'une thermistance
qui maintient la température de la matrice CCD régulé à -40°C ou -50°C (dépendant
du circuit de la caméra) sous la température ambiante.
La prise des images CCD est complètement différente de la technique utilisée en photographie conventionnelle. Ici, il faut se munir d'un ordinateur (Pentium ou mieux) ou préférablement d'un ordinateur portatif pour la prise des images CCD. Un logiciel d'acquisition des images accompagne généralement les caméras CCD et l'utilisateur devra en étudier le fonctionnement. Ce logiciel permet d'établir la communication entre la caméra et l'ordinateur, facilite la mise au point du CCD, accumule les images, les sauvegarde et y effectue certains traitements de base.
Pour la prise des images CCD, il nous faut prendre trois types d'images:
1) Image «LIGHT» comprenant le signal de notre objet céleste ainsi que le signal de bruit de fond électronique de l'appareil.
2) Image «DARK» comprenant uniquement le signal de bruit de fond électronique de l'appareil. Il suffit de bloquer toute entrée de lumière qui pourrait arriver sur le CCD et de prendre le même temps d'exposition que celle de l'image «LIGHT».
3) Image «FLAT FIELD» qui consiste à prendre une image d'une surface éclairée uniformément afin de corriger nos images des variations de sensibilité des pixels de la caméra, des poussières et du vignetting.
Pour obtenir une IMAGE CORRIGÉE, il suffit ensuite de SOUSTRAIRE notre image «DARK» de notre image «LIGHT» puis d'effectuer une correction de toute variation d'intensité lumineuse des pixels grâce à notre image «FLAT FIELD».
On obtient finalement une image dite CALIBRÉE du bruit de fond parasite et des variations d'intensité des pixels. Ces traitements de base sont effectués via le logiciel d'acquisition des images qui accompagne la caméra CCD.
Le coût des caméras varie selon les performances que l'on recherche. On peut se procurer des
caméras non refroidies (ELECTRIM) au coût de 500$US pour la prise des images
lunaires et planétaires. A ce prix, il ne faut pas s'attendre à des miracles si l'on
désire prendre des images d'objets du ciel profond. Si l'on désire investir un peu plus,
on peut se procurer une excellente caméra CCD qui combine l'autoguidage automatique des
télescopes et l'imagerie CCD. Il s'agit de la caméra SBIG ST-4 qui se vend au coût de
890$US. Cette caméra est surtout destinée à faire de l'autoguidage de télescope et si
cela ne vous intéresse pas, il vaut mieux investir un peu plus et se procurer une caméra
SPÉCIALISÉE dans l'imagerie CCD.
Pour ceux dont l'imagerie CCD est vraiment leur préoccupation, il faut faire un choix sur une caméra qui offre le plus grand champ possible, un système de refroidissement efficace, un convertisseur Analogue/Digital de 12 ou 16 bits, une alimentation de 12 volts CC et où l'on pourra brancher un ordinateur portatif et muni idéalement d'un système d'autoguidage.
La compagnie SBIG offre une caméra (SBIG ST-6) extrêmement efficace offrant un champ de 242 x 375 pixels, un convertisseur Analogue/Digital de 16 bits (65536 niveaux de gris), un système de refroidissement régulé atteignant -50°C sous la température ambiante, une alimentation CA/CC de 12 volts, un port de communication série pour ordinateur portatif, un système «anti-blooming» ajustable un obturateur mécanique intégré et un logiciel d'acquisition d'images très convivial offrant la possibilité de prendre des images et de les sauvegarder AUTOMATIQUEMENT. Ce qui caractérise le plus cette caméra est sa possibilité de prendre des images AUTOMATIQUEMENT en mode «TRACK AND ACCUMULATE» sans que nous ayons besoin de guider. Cette dernière caractéristique à elle seule en vaut le prix. La caméra se vend 1500$US usagé.
Il est vrai que le coût d'une telle caméra est très dispendieux au départ mais il faut regarder les avantages qu'elle offre. On peut exposer de 0,01 sec à 3600 sec (1 hre). Le système de refroidissement régulé permet de prendre une seule image «DARK» pour une série d'images «LIGHT» de même temps d'exposition. Donc, on peut sauver énormément de temps. Le logiciel permet également de prendre des images et de les sauver automatiquement. Plus tard, on verra à effectuer les traitements qui s'imposent.
Si vous possédez un télescope muni d'un bon système d'entraînement, vous pourrez utilisez le mode «TRACK AND ACCUMULATE». Ce mode vous permet de prendre vos images sans que vous ayez à faire vous même le guidage. Le principe consiste à laisser le télescope guider sur l'objet par lui même. La caméra prendra de courtes expositions de votre cible puis le logiciel additionnera automatiquement les images. L'image finale aura quasiment la qualité qu'une image unique exposée plus longtemps.
Par exemple, si vous prenez 15 images de 1 minute chacune, l'image finale aura la même qualité qu'une seule image prise durant 15 minutes. Fini les soucis du guidage manuel par temps froid ou parmi les moustiques. En une seule soirée, vous pouvez accumuler une dizaine d'images de vos objets préférés.
De plus, vous pourrez prendre des images CCD de vos objets même si vous êtes situés en ville grâce à la très grande sensibilité de la caméra CCD. Vous pouvez facilement atteindre des magnitudes très basses de l'ordre +16 ou +17 dépendant du diamètre de votre instrument. Vous pourrez utiliser des filtres RGB pour faire des images couleurs (TRICHROMIE) ou de la photométrie.
Imaginez pouvoir avoir votre observatoire dans votre cour sans avoir à vous déplacer. Imaginez être capable de suivre les astéroïdes, les comètes, Pluton. Imaginez faire de la photographie lunaire ou planétaire à haute résolution en utilisant des temps de poses d'un dixième de seconde. Imaginez faire la recherche de supernovaes dans les galaxies ou faire le suivi des étoiles variables chez vous en ville. Trop beau pour être vrai n'est-ce pas! Et bien non, la technologie CCD vous permet de faire cela maintenant.
Le prix à payer consiste à vous procurer un solide télescope muni d'un bon système d'entraînement, d'une caméra CCD et d'un ordinateur. Un ordinateur portable ou un vieux PC 286 usagé fait très bien l'affaire pour l'acquisition des images. On peut facilement protéger l'ordinateur dans une boite de bois isolée. Pour ce qui est du traitement des images CCD, il faudra de préférence utiliser un ordinateur plus puissant style Pentium
Avant d'investir, je recommande de vous procurer les deux excellents volumes de l'américain RICHARD BERRY soit: «CHOOSING AND USING A CCD CAMERA» qui vient avec le logiciel «QUICK PIX». Ce livre explique ce qu'il faut connaître sur les caméras CCD. L'autre volume «INTRODUCTION TO ASTRONOMICAL IMAGE PROCESSING» vous renseignera sur les bases du traitement des images CCD et inclut un logiciel à cet effet (AIP). Je vous recommande aussi de suivre l'évolution de la technologie CCD grâce à diverses revues existantes sur le marché.
La magie du traitement des images par ordinateur ouvre également la voie à tout un monde
de découvertes. Imaginez que chaque pixel de votre plaque CCD correspond à un nombre
compris entre 0 et 65535. La valeur zéro signifie aucun signal donc une teinte
complètement noire.
La valeur absolue 65535 correspond à un signal saturé donc complètement blanc. Toutes les valeurs comprises entre ces deux extrêmes correspond à une certaine teinte de gris. Ainsi, un pixel ayant une valeur de 15000 sera gris sombre alors qu'un autre de valeur de 55000 sera de teinte gris pâle.
Les algorithmes utilisés dans les logiciels de traitement des images sont des fonctions mathématiques ayant justement pour effet de changer les valeurs numériques de certains pixels changeant par le fait même la teinte des pixels à l'écran. On peut ainsi découvrir certaines caractéristiques cachées de nos objets célestes. Par exemple, un filtre MASQUE FLOU permet de faire ressortir les détails de la surface lunaire et des planètes. Un traitement par ÉTALEMENT LOGARITHMIQUE (LOG SCALING) permet de faire ressortir les étoiles faibles sans toucher aux étoiles brillantes.
On peut ainsi voir les étoiles du centre et du bord des amas globulaires en même temps ou les bras spiraux et le centre de certaines galaxies. Le logiciel de traitement des images CCD remplace à lui seul la chambre noire complète de l'astrophotographe conventionnel.
Certains logiciels très performants possèdent en plus du traitement conventionnel des images, des fonctions de comparaison d'images (BLINK) pour la recherche de comètes, astéroïdes, étoiles variables, novae ou supernovae dans les autres galaxies, des fonctions d'astrométrie pour déterminer des positions très précises d'objets célestes, des fonctions de photométrie pour déterminer la magnitude exacte des étoiles, des fonctions de trichromie pour faire des images couleurs de nos objets célestes et bien d'autres fonctions. Ces logiciels sont plus dispendieux mais ils en valent la peine. Tout un monde de découvertes et de possibilités vous attendent si vous voulez poussez plus loin votre curiosité en astronomie pratique.
En conclusion, l'astrophotographie conventionnelle exige énormément d'efforts et d'investissements sans compter que l'on doit acquérir des connaissances de base en photographie et s'équiper d'une chambre noire et d'équipements photographiques si l'on veut obtenir le maximum de nos images. On doit en plus s'éloigner des grands centres urbain pour pouvoir s'adonner à la prise des images dans des conditions excellentes. Si l'on calcule le coût de base pour l'achat du télescope, des caméras, des films (hypersensibilisés), de l'équipement de chambre noire et du transport que l'on devra assumer pour prendre nos images à l'extérieur de la ville, on remarquera que nos images nous coûteront une fortune et leur nombre en sera très limité.
Par contre, la technologie CCD permet d'atteindre des magnitudes extrêmement basses en peu de temps et ce même en région urbaine. Le coût d'achat de la caméra, de l'ordinateur et des logiciels apparaît élevé au départ mais le nombre d'images que vous pourrez prendre en une seule session d'imagerie augmentera beaucoup votre satisfaction.
L'utilisation d'un logiciel performant de traitement d'images vous fera découvrir plusieurs secrets que cachaient vos images et vous pourrez vous adonner à des recherches plus poussées comme le repérage de comètes faibles, la recherche de supernovae dans les autres galaxies ou l'étude des étoiles variables. Vous pourrez surtout vous adonner à votre passion dans la cour chez vous et sans vous déplacer. Vous pourrez vous construire un observatoire à votre convenance, l'adapter à vos besoins, prendre vos images CCD automatiquement et traiter vos images lorsque le ciel sera nuageux.
Vous devrez accepter par contre de vous équiper de bons instruments et apprendre de nouvelles notions ayant trait à cette nouvelle technologie. Cela en vaut vraiment la peine et vous pourrez vaquer à votre loisir préfére durant de nombreuses années. S'il survient un moment où l'intérêt vous quitte pour de bon, vous pourrez revendre assez facilement vos instruments et ainsi récupérer une partie de votre investissement.
N'hésitez pas à lire abondamment sur le sujet. Il existe de nombreux livres sur l'imagerie CCD et Internet est une source très vaste d'informations.
En espérant vous compter parmi nous.