Choisir sa caméra selon son instrument

Une caméra astronomique ne s'achète pas dans le vide. Son utilité dépend presque entièrement du télescope auquel elle est couplée,. Mal les associer, c'est laisser de la performance sur la table.

L'échantillonnage : le point de départ

Le concept central est l'échantillonnage, qui exprime combien d'arcsecondes du ciel correspondent à un pixel sur le capteur :

Échantillonnage (arcsec/pixel) = (taille du pixel en µm × 206) / focale en mm

Le facteur 206 vient de la conversion radians/arcsecondes (206 265 arcsec par radian). Un pixel de 3,76 µm sur un télescope de 1 000 mm donne environ 0,78 arcsec/pixel.

Quel échantillonnage viser ? Ça dépend du seeing local, la turbulence atmosphérique qui floute les étoiles. Au Québec, on tourne généralement autour de 2 à 4 arcsec FWHM selon les nuits. La règle pratique : viser 1 à 2 arcsec/pixel, ce qui fait correspondre la résolution du capteur à ce que l'atmosphère permet réellement. En dessous, le signal est dilué sur trop de pixels sans gain de détail, c'est le sur-échantillonnage. On peut généralement obtenir des bénéfices du sur-échantillonnage lorsqu'il est jusqu'à deux fois plus petit que la résolution atteignable. Au-dessus, les détails fins sont écrasés, c'est le sous-échantillonnage, et la résolution en souffre directement. Certain site web comme celui-ci permet de calculer la taille de pixel optimale pour le seeing.

Pour le lucky imaging planétaire, la logique s'inverse. On vise délibérément 0,1 à 0,3 arcsec/pixel, parce que des poses de quelques millisecondes figent la turbulence. On compense par le volume. Soit des milliers d'images dont on garde seulement les meilleures.

Le rapport focal

La focale seule ne suffit pas à caractériser un instrument. Le rapport focal (f/D) a des implications directes sur la caméra.

Un instrument rapide (f/4 ou moins) concentre la lumière rapidement, mais les rayons arrivent avec un angle important. Comme mentionné dans l'article sur les filtres, cela cause un band shift sur les filtres dichroïques, et les aberrations en bordure de champ (coma, astigmatisme) sont plus difficiles à corriger. Un capteur à grands pixels est plus tolérant dans ce cas, puisqu'il est moins sensible aux aberrations sub-pixel.

Un instrument lent (f/8 ou plus) est plus clément optiquement, mais demande des poses plus longues. Un bruit de lecture très faible devient alors précieux, puisqu'on peut empiler des poses courtes pour compenser.

La taille du capteur et le champ de vue

Le champ de vue se calcule directement :

Champ (arcminutes) = (taille du capteur en mm × 3438) / focale en mm

Un capteur IMX571 de 28,3 mm de diagonale sur 500 mm de focale couvre environ 3,3° × 2,2°, bien pour les nébuleuses étendues ou les amas ouverts. Le même capteur sur 2 000 mm tombe à 0,8° × 0,5°, plus adapté aux galaxies.

Il faut aussi vérifier que le cercle image du télescope couvre entièrement le capteur. Un instrument conçu pour un capteur APS-C ne couvrira pas un plein format sans vignettage, parfois corrigeable avec un réducteur de focale, parfois non.

La résolution utile

Un point souvent mal compris : plus de pixels ne signifie pas plus de détails. Si le seeing limite à 2 arcsec et que l'échantillonnage est déjà à 1 arcsec/pixel, passer à un capteur deux fois plus résolu avec des pixels deux fois plus petits ne donnera rien de plus dans l'image finale, juste des fichiers plus lourds et un rapport signal/bruit plus faible par pixel.

La résolution utile est celle qui correspond au seeing. Au-delà, l'empilement ne récupère rien de nouveau.

La vitesse de lecture

Pour le planétaire, le nombre d'images par seconde est critique. 100 images par seconde sur 10 minutes, c'est 60 000 images, de quoi sélectionner les 5 à 10 % de meilleures même avec un seeing médiocre.

Pour le ciel profond, ce critère est presque sans importance. Une caméra à 10 images par seconde suffit largement quand les poses durent plusieurs minutes de toute façon.

Quelques combinaisons concrètes

• Un réfracteur court f/5 de 500 mm appelle des pixels de 5 à 7 µm pour un échantillonnage raisonnable, et profite d'un grand capteur pour exploiter le champ large que ce type d'instrument offre naturellement.

• Un Schmidt-Cassegrain de 2 000 mm à f/10 se marie bien avec des petits pixels (2 à 4 µm), la longue focale ramène l'échantillonnage à des valeurs correctes même avec des photosites fins. C'est le terrain des galaxies et des nébuleuses planétaires.

• Un Dobson de 300 mm à f/4,5 et 1 350 mm de focale se retrouve entre les deux. Un grand capteur n'a de sens que si le cercle image le couvre. Et à f/4,5, les filtres dichroïques à 45° voient leur bande dériver légèrement en bordure de champ, pas majeur, mais à anticiper.

La bonne combinaison entre caméra et télescope permet surtout une plus grande satisfaction par rapport à la qualité de l'image. Il est toutefois bon de noter que le non-respect des critères ne donnera pas nécessairement de mauvaises images ;)