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Réflexions sur la photographie astronomique à haute résolution

par Jean Dragesco

L'optique (IV)

Les trois facteurs que nous venons de passer en revue, la turbulence, le choix de la monture et la précision de l'entraînement jouent un rôle primordial dans l'obtention d'un cliché à haute résolution. La qualité optique du télescope utilisé joue un rôle plus effacé. L'idéal à atteindre reste bien entendu une optique irréprochable et des paramètres spécialement adaptés à ce type de travail : miroir principal parfaitement taillé, en verre à faible coefficient de dilatation, obturation centrale aussi faible que possible, ce qui nous conduit vers les optiques Ritchey-Chrétien et Riccardi-Honders ou les lunettes apochromatiques.

A choisir entre une lunette et un télescope, la discussion risque de nous entraîner dans un débat sans fin. Toutefois la lunette apochromatique de longue focale (supérieure à f/8 au regard de la difficulté à construire des lentilles de plus forte courbure) se démarque par ses performances. En effet, sur le plan optique de nombreux arguments plaident en sa faveur.

(TL) Seul inconvénient, le prix exorbitant des grands diamètres la rend inaccessible aux amateurs au-delà de 200 mm d'ouverture, et le marché de niche bien trop étroit n'incite pas les ingénieurs opticiens à en fabriquer, ce qui résout le problème : l'amateur qui veut un instrument de grand diamètre n'a le choix qu'entre le télescope et... le télescope ! Inconvénient, un modèle corrigé pour toutes les aberrations et complété par les accessoires nécessaires (monture Direct drive, moyens informatiques, CCD, système de guidage, éventuellement l'observatoire) revient aussi cher qu'une voiture de milieu voire haut de gamme...

Bénéficiant d'une enceinte close, libre d'obstruction centrale, offrant une meilleur tolérance de mise au point en vertu d'une plus longue focale que les télescopes et disposant souvent d'une optique de qualité, les lunettes astronomiques, même de petit diamètre, sont très appréciées par les amateurs avertis. Seul inconvénent, elle valent au moins 3 fois le prix d'un télescope de même diamètre ! Cette lunette Tele Vue par exemple de 102 mm f/8.6, une apochromatique à 2 lentilles, est proposée à environ 3000 € pour le seul tube optique.

Les points forts d'une lunette astronomique sont les suivants :

- La longue focale est moins sujette aux aberrations

- Le tube d'une lunette est fermé ce qui évite les turbulences à l'intérieur du tube (les télescopes catadioptriques partagent également cet avantage).

- La lumière ne traverse qu'une seule fois le tube et n'est pas réfléchie plusieurs fois avant d'être enregistrée comme dans un télescope de Newton (2x) ou de type Cassegrain (3x). Cela permet aux lunettes d'être moins sensibles à la turbulence qui peut régner dans le tube.

- Les déformations de l'image (thermiques ou mécaniques) sont quatre fois moins importantes pour une lentille que pour un miroir.

- Le rapport focal d'une lunette étant en général supérieur (f/8 à f/15) à celui d'un télescope (f/4 à f/12) la tolérance de mise au point est également plus étendue (proportionnellement au carré du rapport focal f/D).

- L'absence d'obstruction centrale (qui peut atteindre 40 % du diamètre dans un télescope Schmidt-Cassegrain) favorise une plus petite figure d'Airy (figure de diffraction), donc une image plus fine, plus contrastée dans les basses fréquences spatiales ainsi que Thierry Legault parmi d'autres l'a bien expliqué.

- Elle se dérègle moins facilement qu'un télescope car elle n'est pas sujette aux problèmes de collimation et de mise au point (mirror shift) ce qui en fait un instrument idéal pour la haute résolution.

- Enfin, le tube optique d'une lunette est léger et peut aisément être soutenu par une monture équatoriale robuste de catégorie moyenne.

(TL) Mais c'est sans tenir compte du prix, facteur décisif chez l'amateur. Un télescope de 300 mm d'ouverture revient grosso modo au même prix qu'une excellente lunette apochromatique de 100 mm... La différence de prix atteint un facteur trois ! Aussi, ce que l'on perd en qualité intrinsèque on le gagne en résolution car une petite ouverture ne pourra jamais rivaliser avec un télescope même obstrué à 40 % du diamètre mais offrant un diamètre 50 % supérieur : le télescope offrant une surface collectrice plus grande accumulera plus de lumière, l'image sera globalement plus contrastée, les détails seront plus fins. On ne peut s'affranchir des lois de l'optique comme le montrent bien les figures de diffraction ci-dessous.

C'est en connaissant bien ces principes que les astrophotographes expérimentés n'hésitent pas à utiliser des télescopes de 300 à 400 mm d'ouverture parfois obstrués à plus de 30 % mais ils approchent la perfection comme en témoigne la galerie des chefs-d'oeuvre.

Figures de diffraction

Simulation de l'aspect du disque d'Airy d'une étoile avec le programme Aberrator tel qu'on peut l'observer dans une lunette apochromatique de 155 mm d'ouverture ou un télescope de 200 mm peu obstrué. A l'extrême gauche ce que l'on devrait observer en théorie..., à droite ce qu'on observe en réalité... lorsque les conditions sont favorables ! Le diamètre du disque et l'extension des anneaux deviennent plus petits à mesure que l'ouverture de l'instrument augmente mais ils ne fusionnent jamais. En théorie dans une lunette, 84 % de la lumière se trouve dans le disque d'Airy et 16 % dans les anneaux de diffraction, mais en réalité le premier anneau n'a jamais que 1.7 % de l'intensité maximale du disque. En revanche, dans un télescope obstrué à 33 % du diamètre (deux images de droite), la perte de lumière atteint 11 % (0.33*0.33) tandis que l'intensité du premier anneau de diffraction passe à 5.4 %.

Le diamètre de l'objectif d'une lunette ou d'un télescope importe moins qu'on le pense généralement : Némèc a obtenu des photographies lunaires exceptionnelles avec un réfracteur de 200 mm. B.Smith à l'Observatoire de New Mexico a publié d'excellentes photos de Jupiter obtenues avec un Cassegrain de 310 mm, tandis que nos collègues Tomas et Gomez ont presque atteint le pouvoir séparateur théorique du télescope de 410 mm de l'Observatoire du Teide.

Dans un site quelconque on n'a guère intérêt à dépasser les 400 mm de diamètre. En regard de la taille des cellules de convection et des courants turbulents (entre 50 cm et 1 mètre), un télescope d'au moins 400 mm d'ouverture sera plus affecté par de mauvaises conditions atmosphériques qu'un petit instrument. Dans ces conditions ses performances seront relativement moindre par rapport à un instrument de 200 à 300 mm dont les images seront plus stables car moins sensibles au comportement chaotique des turbulences. En revanche, dans une atmosphère calme, le grand diamètre montrera toute sa supériorité dans les fins détails. 

C'est pourquoi dans un site exceptionnel, peu turbulent, sec et peu sujet aux poussières, un diamètre de 400 à 600 mm peut présenter quelques avantages. Une raison de plus pour laquelle on retrouve plus de grands télescopes aux Etats-Unis et les pays tropicaux qui comptent de nombreux sites désertiques ou de haute altitude propices aux performances (Californie, Colorado, Arizona, Nouveau-Mexique, Montana, etc).

Ceci dit, si l'Europe ne dispose pas vraiment de lieux désertiques, elle dispose de sites d'altitude éloignés de toute pollution, propices à l'astrophotographie, en particulier dans les Alpes et les Pyrénées.

Bien entendu la photographie à haute résolution exige une forte amplification de l'image focale. Les auteurs les plus connus sont parfois en désaccord quant au rapport d'ouverture souhaitable, mais on peut affirmer que pour la photographie traditionnelle (argentique) un rapport d'ouverture f/D de 1.5 à 10 pour le ciel profond selon le sujet, de 30 à 50 pour la Lune et le Soleil et de 80 à 100 pour les planètes représentent une solution moyenne acceptable.

Un tel résultat peut-être obtenu par des systèmes Cassegrain très peu ouverts (f/D = 10 à 15) combinés avec une lentille de Barlow ou une Powermate grossissant 2 à 5x soit par des télescopes newtonien ou Cassegrain plus ouverts (f/D = 6 à 12) associés à des projectifs plus puissants et très lumineux (Oculaires Orthoscopique ou grand champ à haut contraste, Powermate 5x, etc).

Il ne faut jamais oublier que les aberrations résiduelles d'un instrument peuvent parfois donner l'impression que votre sujet est flou alors que votre optique est correctement mise au point. Ces simulations de Saturne telle qu'on peut l'observer dans un instrument de 300 mm montrent qu'une mise au point décalée de 0.5l est équivalente à une aberration de coma de 0.6l ou un astigmatisme de 0.5l. Photographies générées avec Aberrator.

Au rapport f/D de 80, l'image planétaire est déjà assez grande pour que tous les détails puissent être enregistrés sur n'importe quelle émulsion sensible. Certains toutefois poussent le grandissement de l'image bien davantage, des rapports focal de 200 et plus ont déjà été utilisés, principalement dans le but de diminuer le grain, avec les films les plus rapides.

Mais actuellement avec la mise au point d'émulsions très sensibles présentant un grain nettement plus fin et la révolution des caméra CCD, de tels rapports focaux ne se justifient plus.

(TL) En photographie ou vidéo CCD planétaire il est inutile de dépasser un rapport focal de f/D = 50 car la plupart des capteurs CCD présentent une telle sensibilité et des pixels suffisamment petits qu'une exposition instantanée (1/80e à 1/10e de seconde) est suffisante en astrophotographie planétaire, tout le travail d'empilement (stacking) des images individuelles s'effectuant par la suite à travers un logiciel de traitement vidéo ou d'image.

NB. A l'ère du numérique, le chapitre suivant est obsolète mais a été conservé pour mémoire.

Le film et son traitement

Pour les adeptes de la photographie traditionnelle, le facteur le plus controversé concerne le type d'émulsion sensible à utiliser en astrophotographie. Deux écoles s'affrontent : ceux qui préconisent des films plutôt lents à grains très fins et à contraste élevé (utilisés avec des rapports f/D de 30 à 60), et ceux qui préfèrent les films très rapides (avec des rapports f/D supérieurs à 100). Les deux écoles ayant obtenu des résultats de qualité équivalente, nous éviterons de nous perdre dans une discussion oiseuse. Nous dirons seulement que, théoriquement (ainsi que cela a été démontré par MM.Texereau et Guérin notamment) l'avantage revient aux films rapides utilisés avec un fort rapport d'agrandissement.

Négatif ou inversible, chaque film présente ses avantages et ses inconvénients. Tout dépend en fait du sujet que vous photographiez et du temps d'exposition.

Les adeptes des films à grains fins ont utilisé parfois le fameux Microfile Recordak qui donnait des images d'une grande finesse avec un contraste exceptionnel (cf. les photos prises par G.Viscardy). A l'image des films orthochromatiques, ces émulsions conviennent très bien pour la photographie du Soleil par exemple mais sont peu recommandables pour la Lune ou Jupiter, à cause du trop fort contraste.

Beaucoup d'astronomes utilisent des émulsions de rapidité moyenne et à grains fins dont le gamma infini est moins élevé. Le film Pan F de Ilford a été longtemps apprécié. Des résultats intéressants ont été aussi obtenus avec les anciens Adox KB 14 et KB 17, l'AgfaPan Pro 100° et bien d'autres.

Aujourd'hui on utilise beaucoup le film T-MAX 400 de Kodak à défaut de TP 2415 qui combine un grain relativement fin avec une bonne sensibilité et un contraste variable selon le développement. Les partisans des films rapides pourront l'exploiter avec une sensibilité variant entre 400 à 3200 ISO mais ils seront malgré tout confronté à un grain assez important qui exige des rapports d'ouverture de 100 à 200, rapports difficiles à utiliser avec un instrument amateur léger et instable.

Dans ces conditions, ces amateurs doivent se tourner vers l'hypersensibilisation qui rend l'émulsion au moins cinq fois plus sensible tout en préservant ses caractéristiques telle que la Loi de réciprocité et la finesse du grain.

Comme nous l'avons déjà souligné dans la page consacrée aux bases de la photographie, le développement du film joue aussi un rôle certain car il est important d'essayer d'obtenir le contraste optimal (en fonction de l'astre considéré). C'est ainsi que pour le Soleil, un gamma de 3 à 4 peut-être obtenu en développant un film orthochromatique ou pour Arts graphiques dans du D-19 ou P112 de Kodak. Mars exigent aussi un assez haut contraste, les anciens révélateurs de type D19 restent de rigueur ou mieux encore le MWP-2 mis au point par les photographes du mont Palomar. Pour Jupiter et Saturne, trop de contraste nuit : les bords de la planète disparaissent empêchant toute mesure précises des taches.

Le contraste

A gauche, Jupiter enregistré sur film SO-115, ce qui deviendra le TP2415. L'image est trop contrastée. A droite, le Soleil supporte bien le gamma élevé des films orthochromatiques mais cette image ci a été imprimée sur un papier légèrement trop dur. Bien que ces clichés soient excellents pour l'époque, leur contraste n'est pas optimisé. Trouver le contraste optimal demande de la rigueur, une durée de développement appropriée dans un révélateur adapté et un tirage soigneux sur du papier de gradation adaptée. Mais tout cela s'apprend facilement. Heureusement, les techniques numériques ont facilité ce travail.

Il vaut donc mieux éviter les films trop contrastés pour utiliser des films normaux (gamma d'environ 1.4), développés dans des révélateurs énergiques (D11, D19, Pl11, Pl12 de Kodak par exemple). Pour la Lune il faut éviter à tout prix un trop grand contraste qui entraînerait d'énormes difficultés au tirage. Il convient donc d'utiliser des films normaux (Ilford Pan F, FP 4, XP 2+, AgfaPan 25, AgfaPan Pro 100°), développés dans des révélateurs compensateurs (D76, D50, HC-110).

En dernier lieu, la réussite en astrophotographie à haute résolution consiste dans l'obtention d'un très grand nombre de clichés, de leur sélection rigoureuse (sous une loupe puissante ou à défaut d'un oculaire grand champ retourné) et du tirage soigneux des meilleurs négatifs, en faisant appel si nécessaire aux techniques de compositages, en sachant utiliser à bon escient la gradation des papiers photographies et leur type de surface (dur, brillant, noir cosmos, etc) et en faisant appel aussi aux divers procédés d'harmonisation (masque, etc).

C'est seulement en ayant le contrôle de tous ces paramètres que vous obtiendrez le succès en astrophotographie comme l'a atteint Jean Dragesco en utilisant simplement un 200 mm bien qu'il pouvait utiliser un "télescoposaure" de 406 mm f/30. Les images qui illustrent cet article vous prouve, photographiquement, le bien fondé de ses conseils éclairés.

Cliché amateur ou professionnel...

En haut, trois clichés pris par le Télescope Spatial Hubble de 2.40 m de diamètre.

En bas, avec... un télescope Meade Schmidt-Cassegrain de 400 mm d'ouverture (NOAO/AOP). Depuis, grâce à des caméras CCD toujours plus performantes, un prétraitement d'image et un  traitement d'image adéquats, la qualité des photos prises par les amateurs s'est encore améliorée. Cf. la galerie des chefs-d'oeuvre.

Pour plus d'informations

Sur ce site

N'ayant pas peur des caméras CCD

Les appareils photos numériques en astrophotographie

La qualité de la monture

Les éclipses solaires (page 3, le traitement d'image)

Digital darkroom

La gestion des couleurs sur ordinateur

La galerie des chefs-d'oeuvre

Tutoriels sur YouTube

Initiation à l'astrophotographie planétaire, D.Laurent

Astrophotography, Forrest Tanaka

Introduction to Astrophotography, Orion Telescopes

Sur Internet

La mise en station et autres textes de S.Bertorello (AMA)

Quel est le rôle du traitement d'image (numérique) et autres sujets par Thierry Legault

Le Masque flou en imagerie numérique (généralités), David Romeuf

L'imagerie couleur de la planète Mars, SAP

Astrolabo (techniques d'astrophotographie)

Super-resolution, Antonio Cidadão

Photoshop for Astrophotographers, Jerry Lodriguss

Astro-Photography mailing list

Astro-Photo egroups

Basic Concepts in Digital Image Processing, Microscopy primer (applets Java)

Kazuyuki Tanaka : Unsharp Masking Process

Okano Kunihiko : Digital Development

John McCubbin : CCD Technique Tips

Livres

A l'affût des étoiles, P.Bourge/J.Lacroux, Dunod, 1969/2015

Astrophotographie, T.Legault, Eyrolles, 2006/2013

Astrophotographie: les techniques de l'amateur, P.Martinez, SAP, 1983

La photo du ciel, P.Lécureuil, Pearson France, 2010

Photographier le ciel, J-L. Dauvergne, Delachaux et Niestlé, 2008

Photographier le ciel en numérique, P.Lécureuil, Vuiber, 2006

Photographier les astres en toutes saisons : Les plus beaux paysages du ciel, E.Beaudoin, Dunod, 2007

Basic Concepts in Digital Image Processing, Microscopy primer (applets Java)

Capturing the Stars: Astrophotography by the Masters, Robert Gendler, Voyageur Press, 2009

The Handbook of Astronomical Image Processing, Richard Berry, Willmann-Bell Publishing, 2006

The Image Processing Handbook, John C.Russ, 1999/2006

Introduction to Digital Astrophotography, Robert Reeves, Willmann-Bell Publishing, 2004

Photoshop for Astrophotographers, Jerry Lodriguss, 2003

The New CCD Astronomy, Ron Wodaski

High Resolution Astrophotography, J.Dragesco, Cambridge University Press, 1995

Star Testing Astronomical Telescope, H.R.Suiter, Willmann-Bell, 1994

The Image Processing Handbook, John C.Russ (Editor), Amazon

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