N'ayez pas peur des caméras CCD - Les caméras CCD professionnelles

N'ayez pas peur des caméras CCD

Les CCD professionnelles (V)

Discutant des caméras CCD, on ne peut ignorer les dernières technologies en date utilisées par les professionnels.

Les CCD 8k et 12k

A l'Observatoire du CFHT d'Hawaii, David Jewitt et ses collègues utilisent plusieurs types de caméras CCD. Une caméra de 8192x8192 pixels habituellement attachée au foyer primaire du télescope de 2.2 m. Elle a été utilisée pour découvrir le premier astéroïde trans-neptunien.


CCD de 8192x8192 pixels	CCD de 12 k-pixels de 15 microns
Documents David Jewitt.

En 2001, les chercheurs ont acquis une caméra CCD de 12 k-pixels de 15 microns. Son champ atteint 42x28 minutes d'arc au rapport f/4, c'est-à-dire qu'il couvre l'entièreté de la Lune ! Dans cette configuration sa résolution est de 0.206" par pixel. En d'autres termes, sans même faire de la haute résolution, si les astronomes agrandissent l'image ils peuvent déceler des détails d'environ 1 km sur la Lune ! C'est beau me direz-vous mais où est l'avantage ? Cette caméra CCD est en fait la plus puissante que l'on ait jamais construite en terme de résolution et dépasse d'un facteur 10 la plus sophistiquée des caméras CCD amateur.

Prenons un exemple en la comparant à la caméra SpectraSource Lynxx 2000. Elle utilise un chip TC255 qui dispose de 336x243 pixels de 10 microns. Bien que sa taille soit modeste elle offre une résolution enviable de 0.25" par pixel sur un télescope de 300 mm à f/29, proche de celle de la CCD 12k. Seul inconvénient, à ce rapport focal le champ ne dépasse pas 87x63 secondes d'arc, tandis qu'à f/4 sa résolution tombe à... 1.8" par pixel, soit 9 fois inférieur à celle de la CCD 12k ! Si la Lynxx crée des images de 160 KB contenant 4096 niveaux de gris, la CCD 12k requiert un espace disque de 200 MB pour chaque image ! Difficile donc de battre les professionnels...

La Megacam

En 2003, ils ont construit la MegaCam : 40 CCD de 2048 x 4612 pixels pour un total de 340 mégapixels. Cette CCD couvre entièrement un champ de 1 x 1° (le champ de 4 pleine Lune) avec une résolution de 0.187" / pixel de manière à échantillonner correctement les signaux lorsque les conditions d'observations sont favorables (le CFHT atteint en moyenne une résolution de 0.7"). Inconvénient, le système qui la contient pèse 375 kg et mesure 1.7m de hauteur pour 1.2m de diamètre !

A gauche, gros-plan sur la MegaCam alors en cours de fabrication au CEA de Saclay en France. A droite, gros-plan sur la première image du ciel profond réalisée avec la MegaCam et publiée sur le site de Terapix de l'IAF en septembre 2004. Il s'agit d'un compositage RGB de 250 images individuelles. Plus de 600000 objets sont visibles jusqu'à la magnitude 26. Cliquer sur l'image pour l'agrandir en grand format (2367x2477 pixels, 1.7 MB).

La Gigacam

En 2007, les astronomes de l'IfA d'Hawaii en collaboration avec les ingénieurs du MIT Lincoln Laboratory ont poussé la prouesse technique encore plus loin avec la Gigacam GPC1 : 4096 CCD offrant une résolution totale de 1.4 gigapixels ! L'image composite mesure environ 40 cm de diamètre, l'ouverture de la CCD mesurant 56 cm de diamètre !

Le système est constitué d'une aire de 64 x 64 CCD offrant chacune une résolution de 600x600 pixels. Les CCD sont montées dans des aires de 8x8 sur un chip de silicium appelé "orthogonal transfer array" (OTA) qui mesure environ 5 cm². Chaque CCD de chaque OTA peut être contrôlée et lue individuellement.

Ce procédé permet également de gagner environ 0.2" en résolution (test réalisé au Kitt Peak) du fait que les étoiles brillantes saturent moins les photocapteurs, ce qui permet d'enregistrer des images plus fines.

Au total, 66 OTAs sont placées dans le plan focal du télescope (les 4 coins sont omis car trop éloignés de l'axe optique). Ce système permet de photographier des objets jusqu'à la magnitude +24 en 60 secondes d'intégration, soit 10 millions de fois plus faibles que les objets les plus pâles visibles à l'oeil nu !

A gauche, l'un des 64 OTAs constituant une rangée ou une ligne de CCD équipant la Gigacam GPC1. Chaque OTA comprend 8x8 CCD qui peuvent être contrôlées et lues individuellement. Chaque OTA offre une résolution de 360000 pixels. A droite, la GPC1 installée dans sa monture dont l'ouverture mesure 56 cm de diamètre. Au total, la GPC1 présente une résolution est de 1.4 gigapixels. Document IfA.

La caméra GPC1 a été montée en août 2007 sur le premier des quatre télescopes PS1 (Pan-STARRS-1) de 1.8 m de diamètre actuellement installé au sommet du mont Haleakala sur l'île de Maui, à Hawaii.

La caméra couvre un champ de 3° avec une résolution spatiale de 0.3"/pixel. Le système peut balayer 6000 deg² par nuit ! Au cours d'un cycle lunaire, l'instrument peut ainsi balayer 3 fois la même région du ciel visible la nuit depuis Hawaii.

Grâce à ces télescopes quiviendront rejoindre ceux du Kitt Peak déjà opérationnels, les astronomes se sont donnés jusque 2010 pour recenser 90% des plus grands NEO dont tous ceux potentiellement dangereux et pouvant précipiter une catastrophe globale.

Les PS1-4 travailleront principalement dans le visible entre 500 et 800 nm ainsi que dans les bandes photométriques standards g, r, i, y compris dans la bande z dans laquelle travaille le SDSS, ainsi qu'en infrarouge dans la bande y à 1 micron, où par nature les CCD sont toujours très sensibles. Mais où s'arrêteront-ils ?...

Le savoir-faire

Voilà en quelques mots tout ce qu'il faut savoir sur les caméras CCD et la manière d'obtenir de très bonnes images des objets du ciel. La difficulté apparente de la prise en main ne devrait rebuter aucun amateur qui s'intéresse au sujet. Bien sûr assis derrière l'écran de votre ordinateur il y a pas mal d'expérience à acquérir, la première étant de choisir un logiciel de traitement d'images et de se familiariser avec les fonctions numériques. Pour commencer consulter déjà les pages que j'ai consacrées à la revue de quelques logiciels d'image processing.

Au fil de la lecture vous vous êtes probalement rendu compte que l'on ne s'improvise pas "gourou en imagerie CCD" du jour au lendemain. Si vous pouvez maîtriser un appareil photo ou une caméra vidéo numérique en l'espace de quelques heures, l'obtention d'images à haute résolution au moyen d'une caméra CCD ou la réalisation de compositage de qualité requiert une certaine expérience que l'on ne peut acquérir que sur le terrain.

Si vous désirez obtenir des images de grande qualité, vous devrez travailler de façon rigoureuse pour améliorer les signaux cachés dans vos images CCD brutes. Je vois encore trop souvent des amateurs ayant enregistré des images CCD s'arrêter juste après la prise de vue. Les étoiles ressemblent à des taches floues ou l'aberration de coma n'est pas corrigée, certaines images montrent les artefacts des pixels saturés, les images planétaires sont floues ou au mieux granuleuses, on découvre des poussières incrustées dans l'image ou souvent les photographies sont réalisées par une turbulence moyenne qui ruine la qualité du document. Les composites (L)RGB sont parfois tout sauf correctement corrigés, la netteté est poussée trop loin ou les détails perdus dans la compression. Bien sûr il s'agit d'un travail de longue haleine mais dont la réussite vous permet de rivaliser avec les professionnels. C'est aussi ça le défi !

Cela étant dit, je vous propose à présent de consulter mes pages anglaises dans la section Digital Darkroom pour en savoir plus sur le compositage couleur et le traitement d'images ainsi que de lire le dossier consacré aux Attirantes oppositions de Mars où sont présentées quelques unes parmi les meilleures images RGB et LRGB de la planètre Rouge pour terminer par la Gallerie des Chefs-d'oeuvre où sont rassemblées quelques uns des plus belles images astronomiques réalisées par des amateurs.

Pour plus d'information

Articles sur le traitement d'images

Les techniques de compositage (Comment photographier Mars ?, sur ce site)

Digital Darkroom (y compris, Composites by Examples, sur ce site)

Sky Tonight - Astrophotography and CCD imaging (Sky & Telescope)

Sur les CCD