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N'ayez pas peur des caméras CCD

Caméra CCD AST-DU-4.3-A couleur de Astrel Instruments avec écran tactile de 4.3" et Wi-Fi (100 € en 2016).

Les systèmes de guidage (III)

Quand on parle d'astrophotographie, il y a deux types d'applications : l'imagerie planétaire et l'imagerie du ciel profond. Si la première peut facilement gérer des images instantanées prises avec des installations relatives légères, la seconde requiert de longs temps d'intégrations (d'expositions) et donc une monture robuste et précise. Explications.

La taille minuscule des pixels des CCD étant minuscule, entre 2.9 et 24 microns, et sachant que le chip complet est jusqu'à 10 fois plus petit que l'image du format 35 mm, cette simple relation explique pourquoi une monture équatoriale robuste et un système de mise au point précis sont indispensables pour obtenir de bonnes images, tout spécialement en imagerie du ciel profond. On reviendra usur la monture un peu plus loin.

Dans ces conditions, l'amateur doit être assisté par un système de guidage précis. Les systèmes de guidage existent sous différentes formes et configurations, de la lunette-guide fixée en parallèle (piggyback) à l'autoguideur équipé d'une caméra CCD dédiée.

Le principal inconvénient des petites caméras CCD comme les webcams fixées sur les lunettes-guides est leur faible sensibilité et leur capacité à ne rien pouvoir détecter d'autre que des étoiles brillantes. Aussi, choisir la bonne combinaison Optique-CCD peut faire la différence entre réussir et râter ses photographies des objets pâles ou du ciel profond.

Beaucoup d'accessoires peuvent assurer cette fonction que nous pouvons rassembler dans les trois catégories suivantes :

1. La lunette-guide en parallèle sur l'instrument principal

2. Le système de guidage hors-axe avec ou sans ordinateur

3. La caméra CCD combinant l'(auto)guide et l'imageur.

Passons en revue chacune de ces solutions.

1. La lunette-guide

La première solution est la lunette-guide (au sens général car il peut s'agir d'un télescope) fixée en parallèle sur l'instrument principal et équipée d'une caméra CCD reliée à un ordinateur, lui-même connecté à la monture de l'instrument comme on le voit ci-dessous.

Les avantages de cette configuration sont aussi nombreux que ses inconvénients. En effet, parmi ses avantages, la fixation en parallèle ne requiert qu'une seule monture et est plus souple que les autres solutions en ce sens que l'utilisateur peut orienter la lunette-guide indépendamment de l'instrument principal vers n'importe quelle cible, même en dehors de l'axe principal. De plus, les deux instruments étant physiquement séparés, le faisceau lumineux de la lunette guide n'affecte pas celui de l'instrument principal. Ainsi,  l'utilisateur peut utiliser la lunette guide sans filtre ou miroir basculant (flip-mirror) et peut donc faire l'acquisition d'une étoile guide jusqu'à 30 % plus pâle qu'à travers un filtre, un sérieux avantage quand on connaît la difficulté de cette tâche à travers un filtre qui limite son utilisation aux étoiles brillantes.

Configurations en parallèle (piggyback) typiques. A gauche, une lunette apochromatique Sky-Watcher Esprit 100 f/5.5 avec aplanisseur de champ sur laquelle est fixée une apochromate Stellarvue SVR105T à tube en fibre de carbone, toutes deux reliées à des APN Canon Canon T3i et fixées sur une solide monture Takahashi EM200 Temma 2M. Entre les deux, il y a un la petite lunette autoguide de 50 mm "Magnificient Mini Autoguider" d'Orion. Au centre, une lunette de 66 mm équipée du système de guidage "StarShoot autoguider" d'Orion. A droite, une lunette Orion de 120 mm f/5 servant de lunette-guide à un C14 HedgeHD. La caméra CCD (non visible) est une Atik 1000M. Documents Jerry Gardner, Alan Dyer et Serge Petiot.

Mais il y a également des inconvénients à utiliser une lunette-guide en parallèle. Une telle configuration fonctionne très bien lorsque les instruments sont fixés à demeure ou l'installation rigide. Dans les autres cas, oubliez-la ! Pourquoi ? Parce que son premier inconvénient est la charge totale des deux instruments et leurs accessoires qui peut être à la limite des spécifications de la monture sans parler de l'éventuel couple de torsion (torque) sur les petites montures. Une petite monture Vixen Super Polaris EQ-4 par exemple supporte une charge de 4 kg maximum et il n'est donc pas envisageable de lui fixer une lunette-guide traditionnelle pesant plusieurs kilos. De toute façon la monture EQ-4 n'est pas prévue pour être pilotée par un ordinateur (elle peut juste recevoir en option un moteur d'entraînement et une raquette de commande pour les corrections manuelles).

En ce domaine, il n'y a pas de compromis. Mieux vaut garder une marge de sécurité en surdimensionnant la monture plutôt que d'utiliser un système sous-dimensionné. La marge de sécurité est très importante sur les petites montures et devrait être d'au moins 1 kg, rendant l'utilisation d'une lunette-guide pratiquement impossible.

Pour éviter ce type de bricolage précaire, certains fabricants proposent de petites lunettes-guides pesant entre 300-500 g parmi lesquelles le kit SBIG comprenant un téléobjectif de 100 mm f/2.8 conçu pour la caméra d'auto-guidage ST-i, les petites lunettes Borg FL à deux éléments en fluorite de 35 à 90 mm de diamètre f/4.5 à f/7 pesant entre 175 g et 2 kg selon les modèles (ou les modèles apochromatiques BORG Oasis Studio de 50 à 125 mm de diamètre souvent utilisé avec des APN) ou encore les petites lunettes courtes Orion de 50 mm f/3.2 (Guide Scope Mini 50) et de 60 mm f/4 (Multi-Use Guide Scope) acceptant par exemple les caméras CCD d'auto-guidage Orion StarShoot dont certains modèles combinant guideur et imageur présentent une cadence allant jusqu'à 200 fps.

A gauche, caméras CCD d'auto-guidage SBIG ST-i (cylindres rouges) équipées de leur kit (téléobjectif de 100 mm f/2.8 pesant 368 g, fixation et adaptateur, 349$) et une caméra SBIG SG-4 (boîte noire) utilisées comme lunette-guide sur des lunettes apochromatiques Takahashi FSQ-106ED f/5 sur lesquelles sont fixées une caméra CCD couleur QHY10. Au centre, une lunette apochromatique Astro-Physics StarFire de 160 mm f/7.5 EDF équipée d'une lunette-guide Borg 60ED et d'une CCD, le tout sur une monture AP 900GTO. A droite, la lunette Orion de 50 mm (190$) reliée à une caméra CCD de guidage de la série StarShoot (total 440$).

Quant aux petits télescopes catadioptriques GoTo, les Celestron NexStar par exemple tel le NexStar 5SE de 125 mm de diamètre peut utiliser la caméra CCD d'auto-guidage NexGuide qui va même tenir compte de l'effet de jeu de l'axe de déclinaison (backlash) pendant l'auto-guidage. L'idéal est toutefois de placer en parallèle l'une des petites lunette-guide décrites ci-dessus pesant moins de 500 g (~55 mm de diamètre) équipée d'une petite caméra CCD d'auto-guidage. Toutefois, la monture n'étant pas très robuste, ses performances en photographie du ciel profond sont limitées.

En revanche, lorsqu'on veut tirer profit d'une grande lunette-guide (à partir de 100 mm de diamètre et présentant un poids de 3 kg pour la Takahashi FC-100 DF f/7.4 APO), soit pour guider un grand instrument soit pour l'imagerie, il est recommandé d'utiliser la lunette-guide uniquement en combinaison avec une monture allemande robuste capable de supporter de lourdes charges et bien entendu disposant d'un module électronique pour l'auto-guidage qui soit au moins compatible avec la SBIG ST-4. Parmi ces modèles, citons la Sky-Watcher EQ-5 Pro avec l'adaptateur ST-4 USB (charge maximale de 10 kg hors contrepoids), la Takahashi EM200 Temma 2M (18 kg), la Losmandy G11 (27 kg), la Sky-Watcher EQ8 GOTO (50 kg),  l'Astro-Physics 1200GTO (63 kg) et autre Software Bisque Paramount ME II (109 kg). Selon les modèles, ces montures doivent être capables de supporter deux instruments de 150 mm de diamètre (2 OTA de 7 kg chacun) ou de 180 mm de diamètre (2 OTA de 15 kg chacun) et leurs accessoires (plusieurs kilos). On peut également utiliser les montures altazimutales robustes à fourche (et non celles utilisant un monobras) supportant les catadiotriques.

L'utilisation d'une lunette-guide peut également avoir un impact sur le système d'entraînement, ce qu'on appelle la flexion différentielle. Ce problème potentiel est plus apparent à forts grossissements et n'est pas directement lié au poids de la lunette-guide. Durant le guidage, la lunette-guide peut légèrement bouger dans ses anneaux de fixation. De très petits mouvements (on parle d'une échelle de l'ordre de quelques centaines de microns à quelques millimètres) peuvent être interprétés par la CCD de guidage comme un décalage par rapport à la position nominale et donc le système va essayer de compenser une erreur de guidage qui n'existe pas en réalité.

Deux installations haut de gamme utilisées sous le ciel noir du sud de l'Arizona. A gauche, un C14 équipé d'une caméra CCD SBIG-1301E avec une lunette Borg 76 f/6.6 ED en parallèle. A droite, une lunette Astro-Physics de 180 mm f/9 EDT fixée sur une monture Paramount GT-1100ME de Software Bisque et connectées à une caméra CCD SBIG ST-10XME refroidie par eau avec pour lunette-guide une lunette apochromatique Takahashi FSQ-106N f/5 à quadruplet fluorite équipée d'une caméra CCD SBIG ST-237A. Documents Huachuca Astronomy Club et Frank Barnes.

Enfin, conséquence de cette configuration, l'amateur doit acheter un second instrument dans ce but. Si un petit téléobjectif de 100 mm peut suffire pour les photographies de grands champs (par exemple en combinaison avec un autoguideur SBIG ST-i ou Lodestar, voir plus bas), pour suivre avec précision de petits objets du ciel profond au moyen d'une étoile pâle requiert une plus grande lunette-guide, habituellement de 80 à 120 mm de diamètre et de 480 à 1000 mm de focale.

Notons que dans tous les cas, cette solution requiert un contrôle extérieur, d'ordinaire via un ordinateur portable relié par câbles à la caméra CCD et à la monture.

Bien que performante, cette solution peut être chère. Elle se démode également ou devient obsolète en raison de l'invention du système de guidage hors-axe et plus encore des caméras CCD intégrant le guideur et l'imageur.

2. Le système de guidage hors axe avec ou sans ordinateur

Tous les amateurs ne pouvant pas s'offrir plusieurs lunettes ou télescopes, comme au bon vieux temps, l'alternative est de ne pas utiliser de lunette-guide mais d'attacher la caméra CCD de guidage sur un diviseur optique hors axe ("off-axis guider" ou OAG) comme on le voit ci-dessous qui pilotera seul les moteurs de la monture pendant que l'amateur enregistrera les photographies avec la caméra CCD principale. Dans ce cas, l'amateur a également besoin d'un ordinateur extérieur pour contrôler le système.

Plus récemment, certains fabricants ont imaginé une solution éliminant l'ordinateur : la caméra CCD auto-guide (par ex. la SBIG SG-4, la NexGuide de Celestron, la StarShoot d'Orion, les modèles de Starlight Xpress, Lodestar, etc.) qui effectue les fonctions de guidage seule, sans ordinateur extérieur. Bien sûr, le système est alimenté et connecté à la monture motorisée du télescope.

Mais comment attacher tout cela ensemble ? La solution la plus simple est d'utiliser un système de guidage hors axe tel celui présenté ci-dessous au centre. L'alternative est d''utiliser un second petit instrument en parallèle sur le principal comme on le voit ci-dessous à droite avec les contraintes décrites plus haut.

La caméra SBIG ST-7 de Pedro Ré

avec miroir basculant True Technology

(2650$ + 175$)

Celestron C8 CPC équipé du système

Orion StarShoot Autoguider et d'un APN

(280 € + adaptateur et diviseur optique)

Le système d'auto-guidage NexGuide

de Celestron sur une lunette en parallèle

(399 € ou 299.95$)

La solution la plus élégante et la plus pratique est l''utilisation d'un miroir amovible ou "flip-mirror" que l'on insert dans l'axe entre l'OTA et la caméra CCD. Si par le passé cet accessoire était encombrant et l'est encore parfois, aujourd'hui il existe des modèles étroits. Parmi ces OAG citons le SBIG OAG-8300, le ONAG-XT d'Innovations Foresight,  le Giant Easy Guider de Lumicon, l'OAG de Celestron, l'OAG de Meade et le "thin off-axis guider" d'Orion ainsi que des modèles plus anciens comme l'OAG de True Technology parmi d'autres.

Cet accessoire dispose de deux sorties et permet d'utiliser soit un oculaire-guide lumineux réticulé à 90° soit une caméra CCD de guidage en même temps que la caméra CCD principale ou de l'APN afin d'assurer les corrections de poursuite. Les images ci-dessous présentent un gros-plan et une vue générale de l'assemblage d'un système de guidage dans l'axe full-frame de dernière génération adapté aux télescopes catadioptriques Schmidt-Cassegrain. A droite, la version minimaliste "thin and slim" d'Orion.

A voir : On-Axis Guiding for Astrophotography

A lire : The ONAG from Innovations Foresight (PDF), Dennis di Cicco, S&T, 2015

A gauche, le diviseur optique à miroir ONAG-XT d'Innovations Foresight (989$). Au centre, son assemblage au coeur d'un système de guidage relié à deux caméras CCD Atik (une sonde de guidage et une caméra refroidie pour la photographie). A droite, le "thin off-axis guider" d'Orion (TOAG, 149.99$) très utile pour réduire la longueur totale du train optique.

Avec le temps, les fabricants ont développé de nouvelles solutions plus compactes combinant dans le même boîtier la caméra CCD de guidage et l'imageur CCD, éliminant l'utilisation du diviseur optique.

3. CCD combinant (auto)-guide et imageur

Parmi les premiers modèles de CCD combinant la sonde de guidage et l'imageur, le système Star 2000 d'Astrovid (caméra MX5 ou MX9) utilise un dispositif spécial divisant chaque pixel en deux moitiés qui sont lues indépendamment l'une de l'autre; l'une intègre les longues expositions tandis que l'autre choisit une étoile dans le champ jusqu'à la magnitude 11 pour guider l'instrument.

Grâce à une miniaturisation plus poussée, ces dernières années certains fabricants ont développé une solution encore plus ingénieuse combinant cette fois un double chip comprenant l'auto-guide et l'imageur. Comme on le voit ci-dessous, les auto-guides/imageur modernes existent sous différentes formes et à tous les prix (par ex. StarShoot G3 d'Orion, la PX-125C d'Opticstar, la SBIG ST-7EA et les séries STL et STT, etc.).

D'autres fabricants ont conçu des caméras CCD comprenant un petit miroir incliné qui renvoit une partie du faisceau lumineux vers un port externe pouvant contenir une CCD de guidage (par ex. SBIG STF-8300 avec FW5 et OAG, Quantum Scientific Imaging QSI 540wsg ou QSI 683wsg-8, etc.).

Reste un problème, l'acquisition de l'étoile-guide à travers un éventuel filtre que nous avons évoqué qui reste la principale faiblesse de la plupart des systèmes d'auto-guidage. Pour résoudre ce problème, quelques fabricants dont SBIG ont placé le capteur CCD de guidage dans la roue à filtres plutôt que derrière les filtres. Avec un tel dispositif à votre disposition, vous n'avez plus d'excuses pour sélectionner une étoile-guide pâle.

A lire : SBIG's New STT-8300 Camera (PDF), Dennis di Cicco, S&T, 2013

QHY IC8300 CCD (double chip et connection Wi-Fi)

Quatre caméras CCD combinant une sonde auto-guide et un imageur classique disponibles en 2016. De gauche à droite, la CCD Orion StarShoot G3 (448 €), la PX-125C d'Opticstar (129£), la SBIG STT-8300 (4550 €) et la QHY IC8300 (2200$), la première d'une série innovante équipée d'une connection Wi-Fi et donc accessible à distance par Internet.

Inconvénient de cette solution intégrée, si un modèle d'entrée de gamme est relativement léger (~350 g) et bon marché (< 500 €), équipé d'une roue à filtres et d'un système de refroidissement régulé, un modèle à double chip complet à haute définition est bien sûr plus encombrant qu'une caméra CCD à faible facteur de forme, plus lourd (~2.4 kg pour la SBIG STT-8300 avec sa roue à filtres) et assez chère (~4550 € pour la SBIG STT-8300 en 2016 mais il existe aussi des modèles à plus de 32000$). Ces modèles "dual-chip" représentent actuellement la solution la plus performante proposée aux amateurs pour l'imagerie du ciel profond.

Bien entendu, aucune de ces solutions n'élimine l'ordinateur qui est toujours indispensable pour le setup initial (sélection et acquisition des astres, mise au point, etc.) et pour télécharger les images enregistrées par la caméra CCD (principale ou combinée).

Concernant l'avenir, certains constructeurs proposeront déjà des caméras CCD Wi-Fi (le modèle AST-DU-4.3-A couleur de Astrel Instruments avec écran tactile de 4.3" à 100 € en 2016, la QHY IC8300 à 2200$ en 2015, etc.). On peut aussi imaginer qu'elles seront équipées d'une mémoire de masse flash (carte SD) ce qui évita de perdre du temps après chaque prise de vue pour télécharger l'image.

Prochain chapitre

Le temps d'intégration

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