ASTRONOMY OUTCAST : LES TUTORIELS

OBTENIR LES MEILLEURS IMAGES EN astrophoto
18 Août 2020

Quelques principes de base...

lobsang rampa

Pour obtenir les meilleures images possibles ... ou tout au moins mettre le maximum de chances de son coté, il est important de comprendre certains principes de base, c’est ce que je vais tenter de vous expliquer dans cet article.


Les informations contenues dans l'article sont des données à titre indicatif, et ne peuvent remplacer l'expérience sur le terrain avec son propre matériel.

  

Premier principe de base, les différents signaux:
   - Le signal utile

Il s'agit du signal lumineux contenant les photons en provenance de l'objet observé, le fond de ciel et les rayons cosmiques. Ce signal est reproductible.


Les photons n'arrivant pas de manière régulière sur le capteur (loi de Poisson), cette quantité disparate de lumière reçue par unité de temps par le capteur provoque un bruit, c'est ce qu'on appelle le bruit de photon.


Pour capter l’ensemble des photons en provenance de l’objet céleste et réduire le bruit, il faudra utiliser les temps d’exposition maximum que la combinaison setup / site d’observation est en mesure d’offrir


Quel que soit l'ISO (gain) utilisé, c'est le même nombre de photons qui sera reçu par le capteur, l'utilisation d'un ISO élevé n'apportera rien de plus au signal. Seule une optique rapide (rapport f / d faible) permettra un plus grand nombre de photons d’arriver au capteur en un temps réduit.

   - Le signal de la pollution lumineuse

Il Le s’agit d’un signal parasite qui en venant s’ajouter au signal utile réduit la dynamique et dégrade le rapport signal sur bruit. Ce signal peut être en partie soustrait mais le bruit associé restera présent.




En fonction du niveau de pollution lumineuse, les temps de pose doivent être raccourcis.


L’utilisation de poses courtes et d’un temps total d’intégration ainsi que des conditions importantes sont recommandées dans de telles conditions:


   - pour éviter de faire monter le fond du ciel.


   - pour éviter la saturation et préserver la dynamique.


   - L'utilisation de filtre anti pollution lumineuse (ex le filtre IDAS LPD-D2) permet de réduire les effets de la pollution lumineuse et de préserver le rapport signal sur bruit.


En contre partie, l’utilisation de ce type de filtre exige des temps d’exposition plus importants.



   - Le signal d’offset:

Le signal d’offset est généré par l’électronique du capteur et est présent de la même manière sur toutes les images. Ce signal est supprimé par les darks.

 - Le signal thermique:

Le signal thermique est lié à la température de fonctionnement du capteur. Ce signal est reproductible à même température, même gain et même temps de pose, il peut donc être soustrait par l’utilisation de darks.


Le signal thermique multiple soir par 2 à chaque fois que l'on double les temps de poses, et multiple par 2 à chaque fois que la température de fonctionnement du capteur augmentera de 7 °.


Avantage aux caméras refroidies, car des temps de pose élevés ne poseront pas de problème, le refroidissement de la caméra permettant un contrôle du bruit thermique du capteur. Aujourd’hui la majorité des caméras refroidies permettant une température de fonctionnement de -45 ° par rapport à la température ambiante, plus les basses températures du soir, plus le bruit du soir faible.


Avec une caméra non refroidie, le bruit thermique du capteur va augmenter rapidement dès que l'on va vouloir augmenter les temps de poses. Un maximum de 30 secondes me parait cohérent avec une caméra non refroidie, les pixels chauds devraient être supprimés en presque totalité pour un bon master dark.


Deuxième principe de base, à chaque signal correspond un bruit
   - Le bruit photonique:

Comme nous évoqué précédemment, les photons arrivent à des intervalles de temps aléatoires jusqu’à la surface du capteur, provoquant le bruit de photon. Le bruit photonique étant proportionnel à la racine carrée du signal, le suffit pour le réduire d’utiliser des temps d’exposition plus longs, et / ou une optique rapide) qui collectera un plus grand nombre de photons. C'est aussi pourquoi le choix d'une caméra avec un Full Well Capacity est à privilégier pour garantir un rapport signal sur bruit et une dynamique maximum.


   - Le bruit de lecture (associé au signal d’offset)

Produit par l'amplificateur de sortie de la caméra, ce bruit peut être réduit en augmentant les temps d'exposition car on augmente le signal, ce bruit n'étant pas lié au temps d'exposition, mais au gain, dans les cas d 'un CMOS. Le bruit de lecture à une valeur fixe avec les CCD.


   - Le bruit thermique

Le bruit thermique est lié à la température de fonctionnement du capteur. Ce bruit s’élimine facilement avec les darks

Troisième principe de base : le gain…mot magique mais il peut s’avérer être votre pire ennemi

En effet en augmentant le gain, nous amplifions le signal, ma le signal dans sa globalité, c'est à dire le bon comme le mauvais, ce qui aboutit au final à une image bruitée et sans dynamique.


C’est pour cela que je conseille toujours de travailler au gain unitaire (gain hardware), pour un bruit le plus faible possible et une dynamique la plus élevée.

Un exemple de rapport gain / bruit / dynamique avec les  mesures de l’Hypercam 294C PRO TEC, le meilleur rapport étant associé à un gain de 400
Quatrième principe de base, les temps d’exposition

(Le temps d’exposition idéal, est le temps d’exposition vous apportera le plus de détails, mais sans causer de défaut en tout genre!


Trouver le bon temps d’exposition va dépendre de plusieurs paramètres:

   - La qualité du suivi

La qualité du suivi représentant 60% du rendu final, il est aisé de comprendre sa corrélation avec les temps de pose.




Avec une monture Alt-Az, la rotation de champ sera apparente à partir de 30s de pose, ce qui défini la limite pour ce type de monture, à moins d’utiliser un dérotateur de champ.



Avec une monture équatoriale, si la mise en station a été correctement réalisée, ainsi que l'équilibrage, les temps de poses peuvent aller jusqu'à 120s sans autoguidage, en fonction de la qualité du matériel utilisé.


 


Au dessus de 120s, il est conseillé de passer sur de l'autoguidage, les temps de poses deviennent alors infinis ... ou presque.

Cinquième principe de base, le rapport f/d de l’instrument

Le rapport f / d de l'instrument mesure l'ouverture d'un instrument. Un instrument avec un rapport f /d faible est dit rapide (ou ouvert), car sa capacité à capter la lumière est importante, ce qui réduira les temps d’exposition.

A diamètre égal, une focale deux fois plus courte, diminuera les temps de pose par quatre.

Exemple de calcul de réduction des temps d’exposition avec une focale de 1000mm et de 500mm

(1000/500) ² = 4

Tableau de synthèse équivalence temps de pose en fonction du rapport f/d

 






Le rapport f /d de l'instrument est donc un paramètre important à prendre en 

considération en astrophoto. Le choix d'un instrument rapide est à privilégier, associé à l'utilisation d'un réducteur de focal.


Un instrument très ouvert avec un rapport f /d faible sera performant, mais demandera cependant beaucoup de précision au niveau des réglages (collimation, coma, tilt) et ne pardonnera aucun écart.

Dernier principe de base, l’empilement

L’empilement d’images (Stacking) permet d’augmenter le Rapport Signal sur Bruit afin d’obtenir une image compositée d’une qualité supérieure à chaque image brutes qui la compose.


Plus le rapport signal / bruit sera élevé, meilleur sera le résultat final

Le rapport signal / bruit d'une image est de 1, la formule permettant de calculer le gain du compositage est √x.

Formule de réduction du bruit par compositage:

1 / √ nombre d'images acquises =% de bruit restant





Sur le tableau ci-contre, (les valeurs clé sont en rouge) du nombre d’image à combiner pour améliorer son RSB de manière significative.


Ces valeurs servent à définir le nombre d’image à combiner, et donc le temps total d’intégration à allouer pour chaque cible en session d’observation, afin d’atteindre le niveau de qualité de rendu attendu par chacun.


 On peut par exemple constater qu'il suffit de combiner 4 images pour doubler son RSB, mais qu'il faudra combiner 12 nouvelles images supplémentaires pour doubler à nouveau son RSB (...les maudites des mathématiques!)

 Nombre d’image combinée Rapport Signal sur Bruit Bruit
11100%
21,4170,71%
31,7357,74%
4250%
52,2444,72%
62,4540,82%
72,6537,80%
82,8335,36%
9333,33%
16425%
25520%
36616,67%
49714,29%
 64 8 12,50%
81911,11%
1001010%
256166,25%
400205%
1024323,13%
1600402,5%
2500502%
4096641,56%
100001001%

En conclusion, obtenir de bonnes images n'est pas si compliqué en soi, à condition de prendre le temps de comprendre et de mettre en pratique les grands principes de base listés dans cet article...et de bien préparer sa session d'astrophoto.

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