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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 8k et 12k pixels

A une époque où les amateurs travaillaient encore avec des CCD de 512 pixels, à l'Observatoire du CFHT d'Hawaii, David Jewitt (aujourd'hui à l'UCLA) et ses collègues utilisaient déjà des modèles offrant une résolution 256 fois supérieure !

En 1995, 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.

CCD de 8192x8192 pixels

CCD de 12k pixels de 15 microns

En 2001, les chercheurs ont acquis une caméra CCD de 12k pixels 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 ! 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.

Prenons un exemple en la comparant à la caméra SpectraSource Lynxx 2000. Cette dernière exploite un chip TC255 qui dispose de 336x243 pixels de 10 microns. 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.

L'Hyper Suprime Camera, 870 mégapixels

En 2012, le télescope Subaru de 8.2 m fut équipé de l'Hyper Suprime Camera (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 1.5° de diamètre. 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 gigapixels

En 2007, les astronomes de l'IfA d'Hawaii 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 gigapixels. 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 est de 1.4 gigapixels. 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 Hawaii. 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 actuellement installé au sommet du mont Haleakala sur l'île de Maui, à Hawaii. 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 Hawaii.

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 LSST

Le futur télescope synoptique LSST de 8.40 m qui devrait être partiellement opérationnel dès 2020 au Chili sera 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 LSST et la maquette du champ couvert au plan focal présentée par Suzanne Jacoby du LSST. L'aire des CCD couvre plus de 3° et mesure environ 64 cm de diamètre. Documents SLAC/LSST.

La mission du LSST 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

Vendeurs de CCD et adaptateurs

CCD's manufacturers (1001 Links, lettre M)

2010 CCD camera buyers guide (par abonnement)

Teleskop Service (toutes marques)

Apogee

Astrel Instruments

Atik

Basler

Celestron

CentraIds cooling DSLR system

Diffraction Limited (SBIG)

FLI

ImagingSource

i.Nova

Lumenera

Meade

Moravian Instruments (GXCCD)

Opticstar

Point Grey (PGR)

QHYCCD

Quantum Scientific Imaging (QSI)

Supercircuit

The Imaging Source

ZWO Optical

Elvitec (Baumer, Imperx, Pixelink, etc)

PERSEU

Spectral Instruments

Starlight Xpress (SXCCD)

Pierro Astro

Logiciels

Imaging software (revue de logiciels, sur ce site)

CCD Calculator, Ron Wodaski

CCD Calculator by Ron Wodaski (.exe, v1.4, v1.5)

CCD Calculator addition images (.zip, on this site)

CCD Suitability Calculator 

Field-of-View Simulator, Cloudmakers

Field of view calculator, 12 Dimensional String

Adobe Photoshop

Anti-Blooming Filter Software, K.Takana

Astrostack

AutoStakkert!2

Avistack, M.Theusner

Axiom Research MIRA

Cyanogen MaxIm DL

DeepSkyStacker, L.Coiffier

Genika Astro

Gralak Sigma

IRIS, C.Buil

PixInsight + Tutoriels (US)

REGISTAX, C.Berrevoets

Sur le traitement d'image

Les techniques de compositage (Mars, sur ce site)

Vidéos sur YouTube

Tutoriels

Initiation à l'astrophotographie planétaire, D.Laurent

Creating my Image of the Andromeda Galaxy, David Woods

Astrophotography Tutorials, Doug German

Astrophotography, Forrest Tanaka

Introduction to Astrophotography, Orion Telescopes

Caméras DMK21/ DMK31 Firewire d'Imaging Source

Clavius au Maksutov-Cassegrain Orion 180/2700

Copernic au Maksutov-Cassegrain Orion 180/2700

Platon au Maksutov-Cassegrain Orion 180/2700

Manzinus Maksutov-Cassegrain Orion 180/2700

La Lune au Maksutov Sky-Watcher 180 mm

Arzachel au télescope Intes Micro 715

Protubérances solaires à la Tak 130 TAO (USB)

APN en mode vidéo

La Lune - Canon EOS 550D sur Newton-Maksutov 350

La Lune - Canon EOS 550D sur Sky-Watcher Skyliner 150

Eclipse de Lune du 19 mars 2011 au Nikon D7000

Saturne - Canon EOS 450D sur NexStar 5 SE XLT (traité)

Webcams

Vénus au Newtonien de 178

Mars au Maksutov Sky-Watcher 180

Jupiter au Maksutov Sky-Watcher 180

Jupiter à la lunette Celestron 150/750 (traité)

Saturne au Celestron Maksutov C9.25

Sites amateurs

Les bases de l'imagerie digitale, Denis Bergeron

Matt BenDaniel

Christian Buil

Steve Chambers

Antonio Cidadão

Robert Gendler

David Haworth

Okano Kunihiko

Thierry Legault

Jerry Lodriguss

John McCubbin

William McLaughlin

Florent Poiget

Pedro Ré

Sylvain Weiller

Forums et techniques

Astrocam Yahoo usergroup

Quickam User Group

VIDEOASTRO, forum

Association Polaris

CCD Astrophotography wih a 3.5" Questar, R.Vanderbei

Quickcam Pro 9000 modified for astrophotography, G.Honis

Traitement d'image (éclipses totales de Soleil, sur ce site)

Traitement d'images APN avec PixInsight, Arnaud Dominique, Arnaud Dominique

Prétraitement d'image avec PixInsight, Louis Joly

Digital Darkroom (sur ce site)

Livres

Astronomie Planétaire, s/dir C.Pellier, Axilone, 2015 (in English too)

A l'affût des étoiles, Pierre Bourge, Jean Lacroux et Nicolas Dupont-Bloch, Dunod, 1969/2015

Astrophotographie, Thierry Legault, Eyrolles, 2006/2013

La photo du ciel, Patrick Lécureuil, Pearson France, 2010

Photographier le ciel, Jean-Luc Dauvergne, Delachaux et Niestlé, 2008

Photographier les astres en toutes saisons : Les plus beaux paysages du ciel, E.Beaudoin, Dunod, 2007

Photographier le ciel en numérique, Patrick Lécureuil, Vuiber, 2006

Astronomie CCD, Christian Buil, Anae, 1989

Astrophotographie: les techniques de l'amateur, Patrick Martinez, SAP, 1983

En anglais

Understanding CCD Read Noise, Jing Weimo

High Performance Cooled CCD Camera Systems (PDF), Apogee, 2011

A Beginner's Guide to DSLR Astrophotography, Jerry Lodriguss, 2014 (CD-ROM)

A Guide to Astrophotography with Digital SLR Cameras, Jerry Lodriguss, 2013 (CD-ROM)

Lessons from the Masters: Current Concepts in Astronomical Image Processing, s/dir. Robert Gendler, Springer-Verlag, 2013

Adirondack Video Astronomy, Astrovid, 2010

Capturing the Stars: Astrophotography by the Masters, Robert Gendler, Voyageur Press, 2009

Digital SLR Astrophotography, Michael Covington, Cambridge University Press, 2007

The Handbook of Astronomical Image Processing, Richard Berry, Willmann-Bell Publishing, 2006

The Image Processing Handbook, John C.Russ, CRC Press, 1999/2006

Introduction to Digital Astrophotography, Robert Reeves, Willmann-Bell Publishing, 2004

Astrophotography: An Introduction to Film and Digital Imaging, H. J. P. Arnold, 2003

Photoshop for Astrophotographers, Jerry Lodriguss, 2003

The New CCD Astronomy, Ron Wodaski, New Astronomy Press, 2002.

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