Spectrographie & Canon EOS 10D
Spectrography & Canon EOS 10D

Cette page présente une évaluation succincte de l'appareil photographique reflex Canon EOS 10D utilisé comme caméra dans le spectrographe MERIS (un instrument très proche du concept Barèges - cliquer ici pour des détails). Normalement MERIS est exploitée avec une caméra Audine équipée d'un objectif à focale fixe de 50 mm de focale (Nikkor 50 mm f/1.4). Pour les présents tests, le Canon est équipée d'un zoom de la même marque de focale 24-85 mm, exploité à la focale la plus longue. L'échantillonnage du spectre de 1.446 A/pixel. L'ouverture de ce zoom est malheureusement très modeste, f/4,5 à la focale de 85 mm, ce qui est notablement insuffisant. La conséquence est un très sévère vignettage du spectre, le champ de pleine lumière n'étant que de quelques dizaines de pixels localisées au centre du capteur CMOS. L'observation a été réalisée dans le nuit du 4 au 5 janvier 2004.

Le spectrographe MERIS au foyer d'une lunette Takahashi FS-128 (D=128 mm - F=1040 mm). La caméra CCD Audine habituelle est remplacée par un appareil Reflex Canon 10D (le 300D est un modèle tout à fait équivalent).

The MERIS Spectrograph at the focus of a Takahashi FS-128 refractor (D=128 mm (5-inch) - F=1040 mm). The usual Audine CCD camera is replaced by a Canon 10D (the 300D is a completely equivalent model).
 

Vue intérieure du spectrographe. Le collimateur est un téléobjectif de 135 mm de focale. Le réseau à diffraction fait 30 mm de coté  et il est gravé de 600 traits au millimètre. Le boîtier photographique est équipée d'un zoom Canon 24 - 85 mm.

Details of MERIS interior. The collimator is a 135 mm photographic lens. The grating size is  30 mm and the groove density is of 600 lines per  millimeter.
 

La fente d'entrée du spectrographe largement ouverte, photographiée par réflexion sur le réseau (ordre zéro).

The entrance slit of the spectrograph largely opened (zero order images). 
 

Cette photographie montre l'image de la fente d'entrée à l'ordre zéro, bien ouverte, alors que la lunette est pointée sur la Lune. Ce type d'observation permet de régler avec précision le spectrographe (ici le but est de confondre les plans de mise au point de la fente et de l'image de la lune, et rendre le tout net sur la capteur CMOS du Canon 10D).

This photography shows the slit image at zero order, whereas the refractor is pointed on the Moon. This type of observation is useful for precise focus of the spectrograph.
 

    
Le fente est ensuite fermée progressivement pour ne devenir qu'un très mince filé de lumière. Les différences d'intensités le long de la fente correspondent aux variations de l'albédo de la Lune et aux irrégularités des bords mécaniques de la fente.

The slit is then closed gradually to become very thin. The differences in intensities along the slit correspond to the variations of the albedo of the Moon and the irregularities of the slit mechanical edges.
 

Le réseau est ensuite pivoté à l'ordre un, ce qui permet d'observer le spectre d'une tranche de la Lune. On ne montre ici qu'une partir du cliché, mais l'échelle est celle d'origine. Le temps de pose est de 0,7 secondes. Dans le bleu-vert on voit très bien le triplet du magnésium et dans le jaune, le doublet du sodium (la distance des deux raies de 6 angstroms). Les lignes horizontales sont dues aux défauts de régularité de bord de fente. Ce spectre est en fait celui du Soleil, dont la lumière est diffusé par la surface lunaire.

The first order spectrum is now oriented toward de camera objective and the result is the spectrum of a section of the Moon. One shows only a part of the spectrum, but the scale is that of origin. The exposure time is of 0.7 seconds. In the blue-green we can see very well the magnesium triplet, and in the yellow, the sodium doublet (distance of this two spectral lines: 6 angströms). The horizontal lines are due to the regularity defects of the slit edges. This spectrum is in fact that of the Sun light, diffused by lunar surface.
 

Le spectre précédent converti en niveaux de gris, puis rectifié géométriquement avec les commandes TILT et SLANT du logiciel Iris.

Moon processed spectrum converted into gray levels and geometrically rectified with commands TILT and SLANT of the Iris software.
 

Le profil d'une partie du spectre en 2-D de la Lune.

The spectral profile of the 2-D Moon spectrum images.
 

Image brute du spectre de Betelgeuse (Alpha Ori) à l'échelle originelle. Temps d'exposition de 1,5 secondes.

Raw 2-D spectrum of Betelgeuse (Alpha Ori). Original scale. Exposure time: 1.5 seconds.
 

Comparaison des profils spectraux d'une étoile dense, avec un fort élargissement des raies de l'hydrogène, Alpha Gémeaux (Castor) et d'une étoile de type Be faible, HD41511. Le continuum a été retiré, d'où l'aspect "plat" de la ligne de base.

Comparison of the spectrum of a dense star, with a strong widened lines of hydrogen, Alpha Gemini, and of a relatively faint  Be star, HD41511. The continuum was normalized to one (so the baseline is flatness).
 

Une vue plus globale du spectre de HD41511 (remarquer la raie H alpha en émission tout à droite). Addition de 6 poses de 3 minutes.

Another view of the HD41511 spectrum (notice the line H alpha in emission at the right). Stack of 6 x 3 minutes exposures.
 

Détail de la raie H alpha dans le spectre de l'étoile HD41511 (cliquer ici pour voir des spectres haute-résolutions de cette étoile, réalisées dans le cadre du programme de surveillance Be - et ici pour un exemple d'évolution dynamique). Un profil P-Cygni est clairement associé à la raie H alpha.

Detail of the H alpha line for the star HD41511 (click here to see a high-resolutions spectra of this star and here for a time evolution  animation example). The spectrum show the H alpha hydrogen Balmer lines with P-Cygni profiles.
 

Le spectre de l'étoile rouge Bételgeuse (Alpha Ori). Compositage de 5 poses de 1,5 secondes chacune.

The spectrum of the red star Betelgeuse (Alpha Ori). Stack of 5 x 1,5 seconds exposures.
 

La partie bleu profond du spectre de l'étoile Capella.

Deep bleue part of the Capella star spectrum.
 

Pose brève au travers de la fente largement sur la nébuleuse M42 à l'ordre zéro. Ce type de prise de vue permet d'identifier et de centrer les objets.
Short exposure of the M42 nebula at the zero order through a the slit largely open. This type of image is helpful for centrer an object.
 

Image brute (telle quelle apparaît à l'écran) du spectre en 2D de M42 avec une fente large. Pose de 2 minutes avec la lunette de 128 mm. En bleu, surexposé dans cette visualisation, l'image de M42 dans la couleur de l'oxygène ionisé (raies [OIII]). Plus en gauche encore, vers le bleu, l'image faiblement visible de M42 dans la raie H beta de l'hydrogène. Tout à droite, la raie H alpha (cliquer ici pour voir un autre spectre de cette nébuleuse). L'intensité respective des raies n'est pas respectée, car aussi bien dans le rouge que dans le bleu, le zoom Canon utilisé vignette considérablement (forte atténuation du flux aux extrémités du spectre). La réponse spectrale du capteur du ESO 10D intervient aussi bien sur. Les traits horizontaux sont les spectres des étoiles du Trapèze. Les larges bandes colorés verticales sont les raies d'émission de l'éclairage artificiel car l'observation a été réalisée en ville. On peut noter le très petit nombre de points chaud dans cette image, mais il est vrai que la température ambiante était de 4°C.

Raw spectrum 2-D image of M42, just as it is appears on the screen after acquisition (large slit). Two minutes exposure with the 5-inch refractor. At left we can see the ionized oxygen lines [ OIII ]. More in left, towards blue, the slightly visible image of M42 is the H beta line . At left, the H alpha line (click here to see another spectrum of this nebula). The relative intensity of the lines is not respected, because the severe zoom vignetting. (strong attenuation of the signal at the ends of the spectrum) and spectral responsivity of the ESO 10D sensor. The horizontal features are the spectra of Trapezoid star. Broad vertical colored vertical band are emission lines, consequences of the parasitic urban artificial light. One can note the very small number of hot points in this image, but it is true that the ambient temperature was 4°C.

Conclusions

Le  problème du Canon EOS 10D (ou de son équivalent plus économique le 300D) est l'organisation des pixels en matrice de Bayer, avec une succession en damier de pixels rouge, vert et bleu. Les artefacts d'échantillonnage en résultant  conduisent à un bruit dans le spectre sensiblement supérieur à celui rencontré avec une caméra CCD. Ce bruit est réduit si on composite de nombreux spectres, ce qui est de toute manière la règle. La faiblesse de la réponse dans le rouge est aussi un handicap, même si en insistant un peu, il est possible d'accéder à la raie Ha, comme le montre le spectre de HD41511. La sensibilité dans le bleu est en revanche très correcte malgré que seulement un pixel sur quatre est utilisé dans ce domaine. Un dernier soucis vient de la taille des images, qui est vraiment grande, alors qu'en spectrographie on n'utilise qu'une toute petite fraction de cette surface.

Du coté coté positif, la facilité d'utilisation d'un boîtier numérique reflex est confirmé dans un spectrographe. L'usage est  agréable et les résultats souvent frappant (spectres en vrais couleurs, mais qu'il faut tout de même rapidement convertir en noir et blanc pour le traitement !) . Indiscutablement, ces premiers essais montrent que l'emploie d'une tel boîtier est tout à fait crédible en spectrographie, d'autant plus que les conditions expérimentales n'étaient pas idéales, et de loin (ouverture de l'objectif de caméra insuffisante, ce qui a fait perdre beaucoup de flux). Au minimum, l'association reflex numérique + spectrographe est un superbe ensemble d'initiation à l'astrophysique, mais permet aussi de réaliser un travail scientifique en y mettant du soin. Compte tenu de la très large diffusion potentielle des appareils  photographiques numériques auprès des astronomes amateurs il y a là l'opportunité de faciliter le travail visant à  populariser et démystifier la spectrographie astronomique.

The problem of Canon EOS 10D (or its more economic equivalent, the 300D) is the Bayer organization of the pixels, a succession of separate red, green and blue pixels . The result is sampling artifacts, which produce a noise in the spectrum appreciably higher than with a B&W CCD camera. This noise is reduced if many spectra are stacked, which is the rule in any case. The low  response in the red is also a handicap, even if while insisting a little, it is possible to observe Ha line, as the spectrum of HD41511 shows it. The sensitivity in bleue is on the other hand very correct. Last problem concern the size of the images, which is really large, whereas in spectrography one uses only a very small fraction of this surface.

The positive side now. The facility of use of a digital SLR camera is also confirmed in the spectrograph field. The use is pleasant and the results often striking (spectra in true colors). Clearly,, these first tests show that this camera is a credible choice for spectrography, especially as the experimental conditions were not ideal, and by far (insufficient aperture number of the camera lens used).. At least, SLR camera + spectrograph is a superb tools for initiation to astrophysics, but also makes it possible to complete a scientific work. Taking into account the very large diffusion of digital camera, this statuts is significant to popularize and demystify astronomical spectroscopy.

Un objectif idéal pour le EOS 10D and le spectrographe MERIS/Barèges...
An ideal lens for the EOS 10D and the MERIS/Barèges spectrograph...

 Optical combination of the Canon 100 mm f/2.8 Macro USM

   Visitez le site ARAS - Visit the ARAS site

Back to spectrography application page