Introduction

L'idée de faire des images d'une eclipse en CCD n'est pas neuve en soit, mais pour trois passionné de CCD qui n'avait jamais vu d'eclipse totale, ce fut un vrai défi ! Nous avons préparé du mieux possible ces expériences en écrivant des modules capable de gerer des scripts d'acquisition dans le logiciel d'acquisition d'images CCD (PAP) et en lisant le maximum d'articles sur le sujet. Les conditions ont faites que cette Eclipse est passé sur l'Europe et qu'elle nous a autorisé à utiliser tout ce matériel.
Le but de cette page web est de décrire notre méthode, et de partager notre unique experience d'eclipse totale CCD.
Si vous voulez utiliser ces images, veuillez en faire la requete aux auteurs, merci !

Ce premier paragraphe montre les résultats obtenus avec nos télescope/objectifs et nos cameras CCD, pour plus de détails sur la methode de prise de vue, vous êtes invités à lire la suite.

Phase totale
 

à 10h27m32s, CN212 Takahashi CCD2x2K maya, pose 2sec filtre 1/10.000ieme
Cliquer sur l'image

à 10h27m32s, CN212 Takahashi CCD2x2K maya, pose 2sec filtre 1/10.000ieme, traitement différent.
Cliquer sur l'image

Objectif de 300mm F/D16  et CCD_Kaf1600 Maya, pose 50ms, filtre polarisant et filtre1/8ieme. Bichromie de 2 images avec filtre polarisant tourné de 90°.

LASCO, C3

LASCO, C2

195 Å

171 Å

Cliquer sur les images pour les voir en taille reelle.
D'autres liens sur ces images :

• Site LASCO de l'Eclipse 99
• Site EIT de la NASA de l'Eclipse 99

Phase Partielle

à 10h07m30s  -  Filtre 1/10000 + 1/100000  30msec de pose, 75% de la dynamique, CN212 CCD2K

à 09h31m46s  -  Filtre 1/10.000 + 1/100.000  30msec de pose, 75% de la dynamique, CN212 CCD2K

Le site d'observation

La chasse a l'Eclipse est un dur labeur. Tout doit être contrôlé, organisé, minuté afin d'obtenir le risque minimum. Plusieurs Week-end de pleine lune ont été nécessaire à la préparation de cette événement planétaire. Seulement jour après jour l'impatience et l'angoisse se fait sentir.

Quels soucis, une semaine avant l'éclipse nous voici à surfer sur le web à la recherche de tout les sites météo d'Europe. A T-7 jours, ca semble être la Normandie, puis à plusieurs reprise nous voici partis pour la Hongrie, mais c'est la veille que Meteo-France annonce une zone possible entre Reims et Metz. Le reste de l'Europe semble ne pas être dans de meilleures conditions. Nous nous retrouvons tous à Chalons/Marne pour ensuite choisir Vouziers à l'Est de Reims. L'idée était aussi de se retrouver avec Alain Maury, mais on perd le contact avec lui à cause d'un téléphone portable éteind au muvais moment... Arrivé vers 19h à Vouziers, nous commençons la prospection d'un site pour nous accueillir... nous, notre matériel et avec du 220V. La chance nous sourit, nous trouvons très rapidement et du premier coup, une famille très sympa qui nous offre l'énergie, mais aussi leur pelouse! En prime, le petit déjeuner et une merveilleuse tarte aux Mirabelles juste après l'éclipse!! Quel accueil formidable !!!
 

Le lieu d'observation
 

Cliquer sur les image suivantes pour les voir en haute résolution.
 
 

	Tout est enfin prêt, avant la phase partielle, excepté la mise au point des caméras qui reste à faire.  On peut remarquer la présence des deux PC et de deux moniteurs sur une table de "camping".  Le ciel laisse apparaitre quelques eclaircies, mais le moral n'est pas au beau fixe, le doute est fort, pourtant coté MétéoFrance, ce fut annoncé comme le meilleur endroit  ! De toute façon, on ne peut plus bouger, des kilos de matériel sont déjà installés.
	Quelques secondes aprés le premier contact !  En arrière plan sur cette image, l'équipe des Pises (Montpellier) se trouve presque au complet. On voit ici trés bien les deux manipes visant la même direction. La tension monte aussi !!
	Quelques minutes aprés la totalité, le trou de ciel bleu commence déjà à se fermer.  Malgré la joie et l'excitation, il ne faut pas oublier de faire les flats-fields sur la partie de ciel bleu qui se ferme tres rapidement avec la remonté de température ! Les grands calendriers en bas de l'image ont servi à cacher le soleil pour échanger les filtres et aussi à aider la vision des écrans.
	Les principaux protagonistes de cette expérience :  De gauche à droite : Boris Gaillard, Cyril Cavadore et Laurent Bernasconi. Cette fois ci le moral est au beau fixe mais le ciel, lui, s'est recouvert. On pourra dire que l'on n'a pas vu grand chose de la phase partielle, juste de quoi faire la mise au point, incroyable on n'y croyais pas qu'on puisse la voir cette eclipse. Le matin même le crachin tombait !

En voyant l'image satellite de 12h00 TU, on se demande par quel miracle on a pu observer cette éclipse, on voit encore l'ombre sur l'Iran !

Les instruments

Deux manips ont été mise en places. L'ensemble du matériel représente facilement 150kg... difficile de changer de place à partir du moment où nous sommes installés !

Manipe 1 sur la couronne solaire: C'est la plus lourde.
- Camera CCD Maya 2k*2k avec capteur CCD Thomson TH7899 de 14 microns de pixels... camera faite maison.
- Télescope CN-212 en Newton, focale 840 mm diamètre 212mm.
- Correcteur de champ.
- Filtres pleine ouverture 1/100 000 + 1/10 000 pour la focalisation et la phase partielle.
- Filtre pleine ouverture 1/10 000 pour les prises de vue de la couronne.
- Monture NJP160 automatisé avec la motorisation maison MCMT.
- Un vieux PC de bureau (on a pas de portable).

Manipe 2 sur la polarisation de la couronne solaire :
- Camera CCD Maya Kaf1600... encore une caméra CCD maison.
- Objectif photo de 300mm Russe.
- Filtre polarisant Circulaire (en un mot : filtre la lumière polarisée comme un polariseur linéaire MAIS produit en sortie une polarisation circulaire).
- Filtre Vert et Anti-infrarouge.
- Une monture Super-polaris motorisée.
- Et encore un PC de bureau!

Chaque PC contrôle sa manipe avec un seul logiciel: Le Pises Atlas-Prism V4  beta 15.
Nous avions décidé que les manips devaient être entièrement automatiques. Pas question d'être devant un écran au moment du grand spectacle !!!
Des scripts de programmation pour le PAP ont donc été écrit puis testé sur la pleine lune (voir le paragraphe suivant).

Néanmoins cela ne décris pas tout le matériel annexe... mais les photos si dessus vous en donneront une bonne idée.

La methode d'acquisition des Images (CCD 2x2K + CN212)

L'idée de base (et selon les bons conseils de Francois Colas) était d'eviter d'avoir à taper sur un clavier de PC pendant la courte durée de la totalité, et donc à avoir recours à un systeme d'acquisition automatique à travers le PAP. La camera étant basé sur un CCD de 2x2K de chez Thomson TH7899M, et lue par un controleur CCD qui envoie les données à travers le port parallele EPP. Le facteur de conversion du systeme est d'environ 8e-/ADU. Cette solution, bien que pratique sur le terrain, aboutit a des temps de lecture de 71sec en binning1x1 et de 22sec en binning 2x2. Cette caméra a été réalisée pour un usage en ciel profond. Vu que l'eclipse ne dure que 2m17sec, il n'était pas question d'utiliser le mode en binning 1x1 constamment, mais de le garder pour la derniere image, juste avant la fin de la totalite. L'echantillonnage résultant en binning2x2 avec le CN212 est de 6.9" par 2 pixels de 14µm et le champs de 1°49'x1°49'degres.
Juste en passant, les professionnels utilisent une camera 1000x1000, numerisée en 12 bits, qui permet presque une cadence vidéo de plusieurs images par seconde. Ces cameras ne sont pas trés performantes en terme de bruit, et on verra que c'est un  facteur limitatif pour atteindre les faibles extensions de la couronne.
 
 

	Cette image represente la face avant de la camera CCD 2x2K, obturateur ouvert. Un obturateur PRONTOR de 60mm de diamètre à du être installé afin d'eviter tout vignetage et rendre la manipe automatique. La boite en bas contient la bobine de commande de l'obturateur. La bague d'accroche est une bague de type CANON EOS EF.  Le CCD est bien visible au fond de la caméra (28x28mm de surface sensible)
	L'ensemble du systeme est visible sur cette image :  La camera CCD elle même. Le controlleur CCD dans la boite noire, basé sur un microcontrolleur PIC, 14bits, lecture port // EPP L'alimentation de la camera, des peltiers (avec le ventillateur au sommet) Le controlleur de l'obturateur (la petite boite grise au fond) Le reglet posé à coté de la camera mesure 200 mm.

Le temps de pose et les filtres à utiliser ont été un vrai probleme à résoudre. Nous avons, helas, renoncé à utiliser un filtre radial [Ref.3], qui est hors d'atteinte de nos moyens, il fallait certainement utiliser un filtre pleine ouverture sur le telescope à cause de la brillance du phénomene. Apres lecture d'articles  [Ref.1 ,4 et .2], nous nous sommes rendus compte que le meilleur test devait être fait avec la pleine lune dans la meme configuration. L'idee aussi etait d'avoir 95% de la dynamique CCD en bordure du couple soleil-eclipse, sinon on perd toutes les informations dans les parties saturées et le blooming qui pourrait en resulter pourrait réduire à néant nos efforts.Des tests ont été effectuées avec une Lune presque pleine dans les mêmes conditions d'observation qui seront utilisés pour l'eclipse elle même, en Juin99.
 
 
 

La presque pleine Lune, avec un temps de pose de 5sec echantillonnée a 6.9"/pixel (bin2x2) et filtre pleine ouverture 1/100.000, les variations d'intensité vont de 11000 a 4500 ADUs. Un filtre "aluminium" de 1/10.000 de transmittion sera finalement meilleur pour cette manipulation, car 5 secondes serait un temps de pose trop long. Donc, 1 sec de pose sera prévu pour cette experience (ca laisse un peu de marge). A cette époque, la littérature dit que la luminosite de la pleine lune correspond à celle observée en bordure de l'eclipse. Ceci nous laisse quand meme un peu dubitatif compte tenu des variations d'intensite dans la Lune elle même.  Des tests ont aussi été faits avec un trou off-axis de 80mm devant le telescope et des filtres Wratten, cela n'a pas donné satisfaction.

Ces préparatifs nous permettent d'avoir un temps de pose approximatif de départ (1sec), et pour affiner le coup, il fallait faire une recherche automatique du temps de pose optimal à l'aide d'une sequence de script specialement dediée. Une fenêtre arbitraire est choisie pour calculer le temps de pose, la valeur maximum dans la fenetre est calculée et le temps de pose correspondant aussi. Si le temps de pose depasse 2sec, on le plafonne à deux secondes. Ensuite, on prend 4 images en binning 2x2, et la derniere avant la fin de l'eclipse en binning 1x1, ces images sont sauvées sur le disque dur automatiquement.
Nous avons hésité à faire varier les temps de poses de la 2ieme,3ième et 4ième image par rapport au temps de pose de reference utilisé sur la première image, mais par raison de sécurite nous ne l'avons pas fait ...
Ces scripts ont été testés sur la pleine Lune et ont donné des résultats satisfaisant, en voici la sortie dans le PAP :

test de recherche de temps de Pose
Next iter. -> tempsDePose=50
Max= 10630
Next iter. -> tempsDePose=73
Max= 13084
Next iter. -> tempsDePose=86
Max= 14443
temps de pose trouve !!
tempsDePose FINAL=86ms , iter= 3
Lecture image 1
Lecture image 2
Lecture image 3
Lecture image 4
Lecture image 5   -> 2 minutes 11 sec
Termine

Le chronometrage est Ok par rapport à cette séquence....
Le test avait été fait avec le MEME PC qui à servi a realiser ces images : un Pentium 133 avec 32Mo de RAM, rien d'extraordinaire a ce niveau.

Une fois sur place à Vouzier, juste au moment de la totalité, il ne restait plus qu'à bien centrer l'ensemble, faire la focalisation et à taper la touche entrée pour lancer le script.

La chance nous a permis d'avoir des conditions meteo optimales : un ciel tres bleu et bien lavé par la pluie !
Pendant ces 2m17,  nous avons pleinement profité du spectable a l'oeil nu et aux jumelles : GRANDIOSE !
Je n'ai même pas regardé le PC, si l'experience échoue, c'est tant pis, on n'interviendra pas de toute façon sur le PC en mode interactif (Clavier/Souris) pendant la totalité.

Une fois revenu vers le PC apres la totalite voici ce que nous avons vu :

test de recherche de temps de Pose
Next iter. -> tempsDePose=50ms
Max= 972
Next iter. -> tempsDePose=1150ms
Max= 6017
temps de pose trunque au max!!
tempsDePose FINAL=2000ms , iter= 2
Lecture image 1   -> 11/08/1999 - 10h25m54s
Lecture image 2   -> 11/08/1999 - 10h26m27s
Lecture image 3   -> 11/08/1999 - 10h27m00s
Lecture image 4   -> 11/08/1999 - 10h27m32s
Lecture image 5   -> 11/08/1999 - 10h28m05s
Termine

Le rythme de prise de vue est d'une image toute les 32secondes, le temps de lecture du CCD est de 22secondes, il y a 10 secondes perdues pour :
afficher l'image, sauver le fichier, lancer la prochaine pose, vider le CCD, appliquer le temps de pose de 2sec

Sous l'excitation, je sauve cette sortie et nous nous congratulons pour cette reussite, les images ont toutes l'air trés bien dans l'ensemble.
Une fois revenu chez moi, je constate les points suivants :

• Le script a decidé de mettre le temps de pose maximal, c'est à dire 2 sec parce que la luminosité de cette partie de l'éclipse était plus faible que prévu, ceci était volontairement pris en compte dans le script pour eviter de perdre trop de temps ou d'engager le script dans une boucle infinie.
• 4 images en binning 2x2 ont été tres bien reussies, on voit meme que la lune a bougé entre la premiere et la derniere image !
• La 5ieme image est "détruite" par un blooming intense, le soleil a commencé a apparaitre (Grain de Baily?)
• Le script utilisé n'était pas la toute derniere version, les images aurait du être fermées et la derniere aurait dû etre prise en binning 1x1 et non en 2x2, mais c'est pas grave car cette derniere est saturée...
• La derniere image fut exposée de maniere incorrecte, parce que le PC a été ralenti en chargant sa mémoire avec les 4 autres images (en ne fermant pas les images dans le script), le script s'est deroulé plus lentement que prévu et l'eclipse était déjà terminée au moment de la 5ieme image.
• J'aurais peut être du fenêtrer, car la couronne ne va pas aussi loin qu'on le pensait, et ainsi diminuer le temps de lecture pour plus d'images.
• La première image a été prise à 10h25m54s, le 2ieme contact à 10h25m33s, soit 21 secondes aprés...

Derniere image à 10h28m05s, le 3ieme contact a eu lieu à 10h27m46s, cette image a été prise 20 secondes trop tard, voyez le resultat !

Addition de la première et de la dernière image, on voit les bords de la Lune qui ont bougé en 1m40s de 5 pixels soit 35 arcsec.

Les images brutes

Image brute de l'éclipse seuillée pour voir les hautes luminosités, à 10h27m32s TU
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La MEME image brute que la precedente, seuillée pour voir la couronne, la lumière cendrée n'est pas visible !!
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Toujours la MEME image brute, avec vue sur les protubérences, quelle dynamique : vive le CCD  !!
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Toujours la MEME image brute, avec une visualisation logarithmique.
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Commentaire sur le temps de pose et "photométrie" de la couronne

Une inspection détaillée des images brutes montrent que les protubérences sont saturées en général (camera sur 14 bits = 16383 ADUs).
Les graphiques suivant montrent des coupes de differents profils radiaux de la couronne (en ADUs) : Le profil 1 contient une protubérence, le profil 2 est un profil moyen et le 3 un profil selon le pôle magnétique du soleil.
 
 
 

Cette courbe à l'échelle LOG montre la grande difference d'intensité de profils du soleil. On y voit la saturation d'une protubérence et que l'intensité d'une mer sombre de la Pleine Lune correspond au maximum sur le bord du soleil du profil radial moyen.  Le signal "utile pour traitement" est visible sur 1.5 Rayon solaire, la dynamique de la camera est de 12.6 bits.  Ce qui est curieux, c'est que la litérature prévoit que si on a une dynamique de 13 bits on doit avoir la couronne jusqu'a plus de 3 rayons solaire ! En fouillant un peu plus l'image, 1 Rayon solaire vaut 138 pixels et on voit la largueur de la couronne s'etendre jusqu'a 300 pixels (Rapport Signal Bruit =3) soit 2.2 rayons solaires. la luminosité du fond de ciel vaut ici 57 ADUs et on peut dire que l'on est plus limité par le bruit de lecture du CCD (2.5 ADU) que par le bruit de photons du fond de ciel, le tout faisant 3,5ADU.  Pour gagner encore plus dans la couronne, il aurait fallu une camera 16 bits, tres rapide et ayant un bruit de 5e- (!!), la prochaine fois peut être !

 
 
 

Ci dessus, la même courbe que la précédente, mais avec une echelle linéaire, les variations d'intensité des trois profils sont plus flagrants.

Et la "lumiere cendrée" ? :
Malheureusement, aucune de nos images ne montre la presence de lumière cendrée, car même en serrant les seuils, on voit un gradient de lumière sur la lune qui aurait pu masquer cette trés faible lumière cendrée. Le fond de ciel est de 15ADUs en bordure d'image. Pourtant, les optiques de l'instrument étaient trés propres et le ciel trés pur. Le fait de surexposer n'aurait rien arrangé, bien au contraire avec le risque de blooming. L'idéal aurait été une fois de plus, le filtre radial.
Cependant, en  imagerie numerique, tout est possible, même de s'amuser un peu avec la pleine lune !

Image CCD de l'eclipse seuillée jusqu'au bruit, noter la diffusion vers le centre  !
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"Montage" d'une pleine lune et d'une eclipse ! facile, non ?
Cliquer sur l'image

A voir ici un lien vers une image faite à partir de négatifs surexposés

Un peu de polarimetrie

Avec un objectif de 300 et une caméra CCD, nous avons voulu voir à quel point la couronne était polarisée. La manipe consistait à prendre automatiquement des images du soleil à travers un filtre polarisant. La seule manipulation pendant l'éclipse consistait à tourner le filtre. Or ceci peut paraitre assez simple dans une situation normale, mais pendant la totalité, à cause de l'excitation et de l'envie de ne rien perdre du spectacle, on a bien failli oublier...

Les résulats montrent que la couronne est fortement polarisée, ce qui aurait tendance à indiquer qu'une grande partie de la lumière est émise par réflexion sur des poussières. C'est un phenomène bien connu.

La méthode de traitement des images

Amélioration du rendu de l'image :

- Le "log", l'égalisation d'histogramme, .... qui permettent de voir à la fois les zone faible et brillantes de l'image. Le problème de ces méthodes est qu'elles diminuent completement le constraste. Les détails deviennent alors moins visibles.

        - Le gradient rotationnel qui consiste a faire le difference de 2 images tirées de l'image initiale tournée d'un certain angle. Le problème est que cette méthode filtre les détails dont la fréquence est liée à l'angle de rotation. pour arranger les choses, on peut compositer des images dont on a appliqué des gradients rotationnels avec des angles différents,  mais on perd des informations interessantes, telles que les protubérences. Le résulat ne semble pas non plus très réaliste.

- La soustration de la composante radiale en faisant la moyenne ou la médiane de cette composante dans l'image. Ici on veut soustraire le continuum lié à la variation continue et radiale de la couronne. Pour chaque pixel à une certaine distance par rapport au soleil, on lui attribue la moyenne ou la médiane des pixels à la même distance dans l'image initiale. On divise ensuite l'image initiale par l'image obtenue.
Cette méthode donne de bons résultats, mais on constate des problèmes d'escaliers dus aux variations discontinues dans l'image initiale (protubérences, ....). L'application d'un filtre passe bas arrange bien les choses. Mais ce n'est pas là, la solution.

- La soustration de la composante radiale calculée à partir d'un modèle mathématique. Ici, on essaie de modéliser la couronne par une fonction mathématique dont il faudra ajuster les paramètres. Entre autre, nous avons essayé des fonctions du type exponentielle, ou exponentielle multiplié par un polynome, etc....
La composante calculée est bien continue. En outre, si le modèle de fonctions s'adapte bien à la couronne, pour le calcul de la valeur des paramètres, on peut se baser sur une partie de l'image éloignée du soleil, ou les protubérences génantes dans notre cas, sont absentes. C'est finalement cette méthode que nous avons retenue.
 
 

Modèle de la couronne	Image brute divisée par le modèle

 

Amélioration de la netteté de l'image :

Beaucoup de facteurs ont contribué au succés de cette manipe :

• La météo (Coup de poker!)
• La proximité de nos régions pour ammener le matériel dans les voitures sur le site.
• L'accueil chaleureux des habitants deVouzier en Champagne Ardennes.
• Les filtres solaires prétés par Optique UnterLinden.
• La patience, la préparation de la manipe et l'implementation de fonctions speciales dans le PAP
• L'automatisation de la prise des images.
• La mobilité, la veille de l'eclipse

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References :

1 : Mail de C.Buil à propos d'une manipe CCD sur l'Eclipse Totale de Guadeloupe.
2 : Article de F.Clette, dans Ciel et Terre vol 115 p 92-100
3 : Article de S.Koutchmy, dans Ciel et Terre vol 115 p 82-91
4: Filtre radial en photo