N'ayez pas peur des caméras CCD - Les caméras CCD professionnelles

N'ayez pas peur des caméras CCD

Les caméras CCD professionnelles (VI)

Après avoir décrit les caméras CCD amateurs, voyons quelles sont les dernières technologies utilisées par les professionnels.

Les CCD 8 et 12 kpixels

En 1995, à une époque où les amateurs travaillaient encore avec des CCD de 512 pixels, à l'Observatoire du CFHT d'Hawaï, David Jewitt (aujourd'hui à l'UCLA) et ses collègues utilisaient déjà des modèles offrant une résolution 256 fois supérieure ! L'une des premières caméras CCD offrait une résolution de 8192x8192 pixels (UH8K). Elle était habituellement attachée au foyer primaire du télescope de 2.2 m. Elle fut utilisée pour découvrir le premier astéroïde transneptunien.

En 2001, les chercheurs ont acquis une caméra CCD de 12 kpixels de 15 microns (CFH12K). Son champ atteint 42x28 minutes d'arc au rapport f/4, c'est-à-dire qu'il couvrait l'entièreté de la Lune !

Attachée au CFHT, dans cette configuration sa résolution est de 0.206" par pixel. En d'autres termes, sans même faire de la haute résolution, si les astronomes agrandissent l'image ils peuvent déceler des détails d'environ 1 km sur la Lune ! A l'époque, c'était la caméra CCD la plus puissante en terme de résolution. Elle dépassait d'un facteur 10 la plus sophistiquée des caméras CCD amateur.


CCD de 8192x8192 pixels	CCD de 12 kpixels de 15 microns

Prenons un exemple en comparant la CFH12K à la caméra Lynxx de Spectra Source Instruments fabriquée pour les amateurs à la même époque (~2000). Cette dernière exploite un chip TC255 qui dispose de 336x243 pixels de 10 microns. La matrice CCD à la même taille que celle de la SBIG ST-4 décrite en première page. Elle est équipée d'un obturateur élecro-mécanique et dispose d'un convertisseur A/D de 12 bits permettant 4096 niveaux de gris, un progrès substantiel par rapport à la ST-4. Bien que sa taille soit modeste, elle offre une résolution enviable de 0.25" par pixel sur un télescope de 300 mm à f/29, proche de celle de la CCD 12k. Seul inconvénient, à ce rapport focal le champ ne dépasse pas 87x63 secondes d'arc, tandis qu'à f/4 sa résolution tombe à... 1.8" par pixel, soit 9 fois inférieur à celle de la CCD 12k ! Si la Lynxx crée des images de 160 KB contenant 4096 niveaux de gris, la CCD 12k requiert un espace disque de 200 MB pour chaque image ! Difficile donc de battre les professionnels...

La MegaCam, 340 mégapixels

En 2003, le CEA fabriqua la MegaCam : 40 CCD de 2048 x 4612 pixels pour un total de 340 mégapixels. Cette CCD couvre entièrement un champ de 1 x 1° (le champ de 4 pleine Lune) avec une résolution de 0.187"/pixel de manière à échantillonner correctement les signaux lorsque les conditions d'observations sont favorables (le CFHT où la MegaCam est installée atteint en moyenne une résolution de 0.7"). Inconvénient, le système qui la contient pèse 375 kg et mesure 1.7 m de hauteur pour 1.2 m de diamètre !

A gauche, gros-plan sur la MegaCam en cours de fabrication en 2002 au CEA de Saclay en France. A droite, gros-plan sur la première image du ciel profond réalisée avec la MegaCam et publiée sur le site de Terapix de l'IAF en septembre 2004. Il s'agit d'un compositage RGB de 250 images individuelles. Plus de 600000 objets sont visibles jusqu'à la magnitude 26. Cliquer sur l'image pour l'agrandir en grand format (2367x2477 pixels, 1.7 MB).

L'OmegaCAM, 268 mégapixels

Depuis 2011, le sommet du mont Paranal où sont installés les quatre télescopes VLT est complété par le télescope VST (VLT Survey Telescope) de 2.65 m de diamètre.

Il est équipé d'une caméra CCD OmegaCAM de 16k x 16k pixels (~26 cm de côté) enregistrant des images de 268 MB. Comme le VLT ou le futur LSST (voir plus bas), il produit 30 TB d'images brutes chaque année qui sont ensuite transmises à l'ESO pour traitement.

Le Zwicky Transient Facility, 606 mégapixels

Le Zwicky Transient Facility (ZTF) est une caméra CCD robotique composée de 16 CCD de 6144x6160 pixels offrant une résolution de 606 mégapixels. Elle est installée depuis 2017 sur le télescope Schmidt Samuel Oschin de 1.22 (48") du Mont Palomar. Offrant un champ de 47° carrés, la ZTF est capable de scanner plus de 3750° carrés par heure jusqu'à la magnitude 20.5. Cette caméra est utilisée pour détecter des phénomènes lumineux transitoires comme des novae, des supernovae ou des TDE dont certains sont associés à des émissions de rayons X, γ ou de neutrinos pour lesquels d'autres observatoires prendront la relève (par exemple les satellites pour les émissions X et γ et l'IceCube pour les neutrinos).

L'Hyper Suprime-Cam, 870 mégapixels

En 2012, le télescope Subaru de 8.2 m fut équipé de l'Hyper Suprime-Cam (HSC). Construite par l'Observatoire National Astronomique du Japon (NAOJ) en collaboration avec des partenaires académiques et industriels internationaux, le système comprend une matrice de capteurs CCD, un train de lentilles, des filtres et un obturateur. L'ensemble est à l'échelle du télescope : la caméra HSC mesure près de 3 m de longueur, la première lentille mesure 82 cm de diamètre pour un poids total d'environ 3 tonnes.

La caméra HSC comprend une matrice de CCD offrant une résolution de 870 mégapixels et couvre un champ de 1.77° de diamètre soit sept fois la surface apparente de la pleine Lune. Les CCD sont installées dans un dewar cryogénique sous vide refroidit à -100°C où le courant d'obscurité devient négligeable. L'alignement mécanique de l'optique est assuré par six actuateurs.

La Gigacam, 1.4 gigapixel

En 2007, les astronomes de l'IfA d'Hawaï en collaboration avec les ingénieurs du MIT Lincoln Laboratory ont poussé la prouesse technique encore plus loin avec la Gigacam GPC1 : 4096 CCD offrant une résolution totale de 1.4 gigapixel. L'image composite mesure environ 40 cm de diamètre, l'ouverture de la CCD mesurant 56 cm de diamètre.


A gauche, l'un des 64 OTAs constituant une rangée ou une ligne de CCD équipant la Gigacam GPC1. Chaque OTA comprend 8x8 CCD qui peuvent être contrôlées et lues individuellement. Chaque OTA offre une résolution de 360000 pixels. A droite, la GPC1 installée dans sa monture dont l'ouverture mesure 56 cm de diamètre. Au total, la GPC1 présente une résolution de 1.4 gigapixel. Documents IfA.

Comme on le voit ci-dessus, le système est constitué d'une aire de 64 x 64 CCD offrant chacune une résolution de 600x600 pixels. Les CCD sont montées dans des aires de 8x8 sur un chip de silicium appelé "orthogonal transfer array" (OTA) qui mesure environ 5 cm². Chaque CCD de chaque OTA peut être contrôlée et lue individuellement.

Ce procédé permet également de gagner environ 0.2" en résolution (test réalisé au Kitt Peak) du fait que les étoiles brillantes saturent moins les photocapteurs, ce qui permet d'enregistrer des images plus fines. Au total, 66 OTAs sont placées dans le plan focal du télescope (les 4 coins sont omis car trop éloignés de l'axe optique). Ce système permet de photographier des objets jusqu'à la magnitude +24 en 60 secondes d'intégration, soit 10 millions de fois plus faibles que les objets les plus pâles visibles à l'oeil nu.

Le télescope Pan-STARRS 1 de 1.80 m équipé d'une gigacam de 1.4 Gpixels installé au sommet du Mt Haleakala à Hawaï. Document PS1SC.

La caméra GPC1 a été montée en août 2007 sur le premier des quatre télescopes PS1 (Pan-STARRS-1) de 1.8 m de diamètre installé au sommet du mont Haleakala sur l'île de Maui, à Hawaï. La caméra couvre un champ de 3° avec une résolution spatiale de 0.3"/pixel. Le système peut balayer 6000 deg² par nuit ! Au cours d'un cycle lunaire, l'instrument peut ainsi balayer 3 fois la même région du ciel visible la nuit depuis Hawaï.

Grâce notamment à l'architecture pipeline des processeurs qui assure l'exécution en chaîne des instructions, l'infrastructure informatique associée à ce système permet de traiter l'ensemble des 6000 images prises chaque nuit en 15 heures de traitement. Les données sont donc pratiquement de suite disponibles pour les astronomes affiliés au programme.

Grâce à ces télescopes à la pointe du progrès qui rejoignirent ceux du Kitt Peak déjà opérationnels, en 2010 les astronomes avaient recensé 90% des plus grands NEO dont tous ceux potentiellement dangereux et pouvant précipiter une catastrophe globale.

Côté performances, la nuit du 29 janvier 2016, grâce au PS1 les astronomes ont découvert 19 nouveaux NEA. PS1 a également à son actif la découverte de plusieurs supernovae et de nouveaux satellites Troyens autour de Neptune.

Les PS1-4 travaillent principalement dans le visible entre 500 et 800 nm ainsi que dans les bandes photométriques standards G, R, I, y compris dans la bande Z dans laquelle travaille le SDSS, ainsi qu'en infrarouge dans la bande Y à 1 micron, où par nature les CCD sont toujours très sensibles.

La CCD de 3.2 gigapixels du Vera Rubin

Le futur télescope synoptique LSST de 8.42 m renommé l'Observatoire Vera Rubin qui devrait être opérationnel fin 2023 est installé au sommet Cerro Pachón au Chili. Il est équipé d'une caméra CCD de 3.2 gigapixels. L'installation CCD mesure 1.65 m de diamètre et pèse plus de 3 tonnes. Ce système refroidit à -120°C couvrira un champ supérieur à 3° dont la surface est équivalente à 40 fois le diamètre apparent de la Lune.

Comme on le voit ci-dessous, au plan focal l'aire CCD mesure environ 64 cm de diamètre. Grâce à ce système, ce télescope qui fontionnera entre 400-1060 nm enregistrera des images de 3 GB toutes les 17 secondes, générant 30 TB de données chaque nuit.


Illustration de la gigacaméra de 3.2 gigapixels de 1.6 m de diamètre qui sera installée sur le Vera Rubin et la maquette du champ couvert au plan focal présentée par Suzanne Jacoby du Vera Rubin. L'aire des CCD couvre plus de 3° et mesure environ 64 cm de diamètre. Documents SLAC/LSST.

La mission du Vera Rubin sera de réaliser des photographies régulières du ciel afin de relever tout changement d'une période à l'autre dans le but de mieux comprendre la nature et les propriétés de l'énergie noire et la dynamique de l'Univers.

Mais où s'arrêteront-ils ?...

Le savoir-faire

Si vous aimez ce type de technologie et le traitement d'image, on ne s'improvise pas "gourou en imagerie CCD" du jour au lendemain. Si vous pouvez maîtriser un APN ou une caméra CCD en l'espace de quelques heures, l'obtention d'images en haute résolution ou réussir à empiler des images pour augmenter leur finesse et réaliser un parfait traitement d'image requièrent une certaine expérience que l'on ne peut acquérir que par une pratique régulière.

Ceci dit, étant donné la relative facilité d'utilisation des logiciels de prétraitement et de traitement d'image, la difficulté apparente de la prise en main ne devrait rebuter aucun amateur qui s'intéresse au sujet.

Pour plus d'informations

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