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L'amplificateur d'image I3 de Ceoptics

Introduction (I)

Le photomètre, l'amplificateur d'image et la caméra CCD font aujourd'hui partie de la panoplie des accessoires high-tech de l'astronome amateur. En quoi consistent-ils et que peut-on en attendre ?

Avant toute chose il faut différencier ces différents instruments qui semblent à première vue tous identiques car tous reposent sur un principe bien connu, à savoir la transformation de l'énergie lumineuse en courant électrique.

- Le photomètre ou la sonde optoélectronique mesure la brillance d'un seul point image (celui placé sur le détecteur sensible) qu'il envoie à un système électronique de mesure. La lumière étant souvent très faible, le courant induit par la photocathode est amplifié par plusieurs étages (dynodes) avant d'être mesuré sur l'anode. Le rendement photoélectrique de ces photomultiplicateurs est toujours inférieur à 50% tandis qu'il n'existe pas de photocathode sensibilisée au-delà de 1250 nm. Cet instrument sert d'ordinaire à des fins photométriques ou à piloter un télescope.

- L'amplificateur d'image (tubes MCP et diodes) est un photomultiplicateur qui par définition amplifie le nombre de photons venant frapper une photocathode en exploitant le phénomène de l'émission secondaire. Le gain varie entre 50 et 80000 fois ! Il permet d'obtenir des images visibles qui peuvent être directement observées ou photographiées derrière un écran phosphorescent. Leur résolution est excellente, comprise entre 30 et 70 paires de lignes/mm, voisin du film Tri-X qui n'atteint que 50 paires de lignes/mm. On peut également y associer l'amplificateur à gain (PGA) basé sur la technologie CMOS.

- La caméra CCD ou caméra à transfert de charge est constituée d'un ensemble de cellules photosensibles controlées par un ordinateur qui digitalise l'image en vue de son traitement ultérieur. Sa résolution est en général assez faible et l'image semble composite comme constituée de petits carrés juxtaposés.

Dans cet article, nous nous limiterons aux amplificateurs d'images, les principes de la photométrie et de la caméra CCD étant développés dans d'autres pages.

Le tube MCP et la diode

Le principe de  l'amplificateur d'image consiste à produire à partir d'un sujet relativement pâle une image plus brillante qui soit lisible ou directement photographiable. Techniquement parlant, lorsque des photons tombent sur une photocathode sensible au spectre visible, ils sont accélérés à travers une lentille électrostatique qui focalise les électrons sur un écran recouvert de phosphore. Les électrons se déplacent sur des trajectoires définies de façon à obtenir une image cohérente qui soit la reproduction fidèle du sujet à l'entrée. Il se formera ainsi sur l'écran phosphorescent ou sur le film la même image que sur la photocathode, mais celle-ci sera bien plus brillante.

Dans le modèle MCP (Micro-Channel Plate amplifier) le gain est particulièrement important variant de 10 à 90000 fois selon le gain recherché ce qui permet de prendre des photographies instantanées des amas d'étoiles. En d'autres termes vous pouvez observez 800 photons pour un seul capté ! En quelques secondes d'exposition vous avez le même résultat qu'en exposant un film conventionnel de 400 ISO durant 10 minutes !

Coupe schématique du photomultiplicateur I3 de Ceoptics. Cliquer sur l'image pour l'agrandir. Document T.Lombry.

Le gain est proportionnel au carré du courant induit dans le système. Ne soyez donc pas étonné si l'alimentation fournit 20000 volts et plus sur la photocathode chargée négativement. L'amplificateur d'image présente donc un rendement exceptionnel mais son coût relativement élevé ne le rend malheureusement pas encore accessible à tous les amateurs. 

Cet outil performant rend de grand services lorsqu'il faut enregistrer rapidement les objets du ciel profond lorsque les conditions d'observation ne sont pas idéales (turbulence). Son second avantage est de pouvoir être utilisé visuellement. La photocathode présente en effet une réponse spectrale plus étendue que notre oeil, la rendant fort utile pour détecter des structures peu invisibles au travers d'optiques conventionnelles, principalement dans la partie ultraviolette et proche infrarouge du spectre. Mais on utilise principalement cet accessoire dans les laboratoires industriels, en recherche spatiale et pour la vision nocturne en général (missions militaires, police, chasse, etc).

A lire : Les tubes photoamplificateurs et la vision de nuit

Une autre façon de travailler, principalement développée par le groupe d'électroniciens américain du Orange County Astronomers consiste à utiliser des tubes à diode (Diode Inverter Tube) dont le prix est 5 à 10 fois inférieur au prix des amplificateurs d'images. Seul bémol, l'amplification est proportionnelle, le gain restant limité à 50 ou 100 fois en lumière visible, donc inférieur aux tubes de première génération.

Parmi les appareils de 3e génération les plus performants et adaptés à l'astronomie tout en restant à un prix compétitif nous trouvons l'amplificateur d'image I3 de Ceoptics. Son prix demeure toutefois similaire à celui d'un bon télescope Schmidt-Cassegrain de 200 mm asservi électroniquement et piloté par GPS (~2500 euros). Mais là s'arrête la comparaison.

L'amplificateur d'image I3 de Ceoptics

Depuis quelques années la société américaine Ceoptics dirigée par Bill Collins offre aux amateurs l'opportunité de gagner 2 magnitudes en observant le ciel à travers un télescope. Un instrument de 110 mm d'ouverture atteint facilement la 14e magnitude, juste ce qu'il faut pour voir Pluton ou les galaxies du Quintet de Stephan (une fois que vous savez où les chercher) ! En d'autres termes son emploi vous permet d'accéder à la même magnitude limite qu'un instrument dont l'ouverture serait 2.5 fois plus grande ! L'instrument magique est un amplificateur d'image de 3eme génération dénommé "I3 intensifier".

Le I3 de Ceoptics

Cet appareil n'est pas exactement une caméra CCD même si, comme l'avons expliqué, le principe reste le même. Le I3 est un amplificateur d'image que l'on peut utiliser visuellement comme un oculaire ordinaire alors qu'une caméra CCD doit accumuler les photons avant de pouvoir l'afficher sur un écran. L'avantage du I3 de Ceoptics est donc évident : il augmente directement la brillance des objets sans qu'il soit nécessaire de traiter l'image par ordinateur ou d'attendre un certain temps d'intégration pour l'observer.

Le I3 reste néanmoins limité à l'observation visuelle car la caméra CCD le devance largement quand il s'agit de réaliser des photographies, qu'elles soient instantanées ou requérant un plus long temps d'intégration. 

Mais ne vous orientez pas de suite vers la caméra CCD car son utilisation sur le ciel profond exige que l'on respecte certaines règles plutôt contraignantes. Ainsi que je l'explique dans plusieurs rapports techniques, une caméra CCD requiert un instrument équatorial robuste, un entraînement et un système de guidage de haute précision, une mise au point très précise et un ordinateur pour stocker et corriger les images numériques, un ensemble de conditions et de savoir-faire qui rendent son installation réservée aux amateurs avertis. Même les webcams nécessitent du matériel d'appoint.

L'amplificateur d'image I3 ne nous contraint à aucune règle et conserve donc tous ses atouts lorsqu'il s'agit d'observer le ciel profond occasionnellement où lorsque les conditions atmosphériques sont optimales sans que l'on souhaite pour autant s'adonner à l'astrophotographie.

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