Tout d'abord rectifions une rumeur : un filtre coloré n’est pas utilisé pour percevoir la couleur ! En raison de sa bande passante relativement étroite, les fréquences atteignant notre oeil sont restreintes à la partie du spectre où il offre le contraste le plus élevé.

Nous pouvons illustrer ce phénomène en prenant Mars comme exemple. Sa surface présente des zones claires et des zones sombres. Le spectre de ces régions est similaire à celui de la rouille, l’oxyde de fer, ce qui explique pourquoi Mars nous paraît orange (indice de couleur, 1.37, spectre K8, voir plus bas).

Observé en lumière bleue le spectre des régions claires et sombres présente pratiquement la même intensité. On peut donc en conclure qu’un filtre bleu offrira peu de contraste entre les régions claires et sombres de Mars. Le profil spectral diverge par contre à partir de la lumière verte pour s’accentuer en lumière rouge et présenter la divergence la plus forte vers 1 micron, en infrarouge. C’est donc dans cette partie du spectre que la différence entre les régions claires et sombres de Mars sera la plus accentuée, raison pour laquelle on recommande d’utiliser des caméras CCD munies d’un filtre IR pour photographier Mars.

De gauche à droite la région de Syrtis Major (MC=261°) photographiée en lumière blanche, avec un filtre rouge, en infrarouge (2.3 microns) et par le HST à titre de comparaison. A cette époque son diamètre oscillait entre 9.5" et 12.3". Documents Tom J.Richards 1999, IRTF 1995 et HST 1999.

Pour comprendre pourquoi certains filtres assombrissent les détails de surface il faut se dire qu’un filtre éclaircit les structures qui ont la même couleur que lui et assombrit les détails de la couleur complémentaire. Le résultat est un contraste global plus élevé et une image dans laquelle certains détails seront plus apparents.

En fait la plupart des amateurs ne considèrent souvent que l’augmentation du contraste car tous les objets semblent prendre la même couleur que le filtre… sauf si vous photographiez le sujet en noir et blanc. Aussi pour bien comprendre quels sont les effets d’un filtre coloré sur une image, consultez les livres consacrés à la photographie... en noir et blanc !

Prenons un autre exemple. Si vous voulez observer la tache rouge de Jupiter lors de son passage au méridien par exemple, sa couleur étant brun-orangé, sous filtre orange elle paraîtra incolore. Il faut donc utiliser la couleur complémentaire de l'orange pour que cette structure apparaisse sombre par contraste, soit le bleu ciel ou le cyan très pâle selon la tonalité.

Cela signifie aussi que vous pouvez utiliser un filtre bleu ciel ou cyan sur une planète bleutée pour faire ressortir tous les détails jaunes-orangés. Ceci explique pourquoi on préconise également d'utiliser des filtres de la couleur de la planète que vous observez, un filtre orange W21/W23A ou rouge W25/W29 par exemple pour pénétrer les brumes de Mars et augmenter le contraste des détails de surface ou un filtre vert W57 ou bleu W47 pour observer les ceintures rougeâtres presque pourpres qui entourent Jupiter. Mais comment connaître la couleur complémentaire d'une autre ? Lorsque les couleurs fondamentales sont mélangées il est en effet très difficile de connaître la couleur complémentaire d'une tonalité précise sans utiliser de logiciel graphique (où il suffit d'inverser la couleur).  Ainsi pour trouver la couleur complémentaire de l'orange dans l'exemple cité ci-dessus j'ai usé d'une méthode classique que j'ai apprise étant enfant et qui m'avait frappé à l'époque : fixer la couleur (un crayon ou un rectangle coloré dessiné sur ordinateur) durant au moins 30 secondes sur un fond blanc (ou noir) puis retirez-la brusquement ou attendez et attendez encore. Comme par miracle la couleur complémentaire apparaîtra à la place ou autour de l'objet. C'est ainsi que j'ai déterminé que la couleur complémentaire de cet orange est un bleu gris. Bien sûr cette méthode ne fonctionne que si vous pouvez distinguer les tonalités les plus subtiles ce qui, semble-t-il, n'est pas donné à tout le monde. Dans ce cas, il reste à utiliser un logiciel graphique (ex.Paint) pour obtenir le même résultat en un clic de souris.

L'usage des couleurs complémentaires permet d'accentuer le contraste d'une image sans modifier sa luminance. C'est le rôle des filtres colorés en astronomie. Mais cet effet à parfois des conséquences perverses dans l'aspect des couleurs d'une planète qui peuvent prendre leur couleur complémentaire si le fond du ciel est très sombre, c'est le contraste simultané.

Ceci dit, un filtre de contraste utilisé pour observer une planète naturellement brillante peut vous jouer des tours (sans parler des effets de la vision). Si vous observez Mars (orangée), Jupiter ou encore Vénus (jaunâtres) devant un ciel bien noir et dans un oculaire présentant un grand contraste (très lumineux ), il peut arriver que les tonalités de cette planète apparaissent dans leur couleur complémentaire. Cet effet est provoqué par le rapport de contraste entre la planète et le fond du ciel. Vous pouvez osberver des détails jaunes ou verts par exemple sur Mars alors qu'ils sont réellement bleutés (diffusion de la lumière sur de la glace) ou oranges ou rosés, c'est l'effet de contraste simultané. Aussi, tous les nuages "jaunes" que l'on voit sur Mars durant les tempêtes de sable, ne sont peut-être pas aussi jaunes qu'ils paraissent. Commment le savoir ? Réalisez une photographie RGB, elle sera objective !

Sur les conseils de divers observateurs et des spécialistes de l'ALPO voici les principaux filtres à utiliser pour observer les planètes:

- Mercure : orange W23A, jaune W15

- Vénus : bleu W46, violet W47 (ainsi que UV et IR pour la photographie)

- Mars : orange W23A, rouge W25, W29, bleu W 80A, violet W47

- Jupiter : vert W57, violet W47, jaune W12, magenta W30, rouge W25, bleu W80A

- Saturne : vert W57, bleu W80A

- Uranus et Neptune : jaune-vert W12, vert W57, magenta W30.

Une liste complète figure également sur le site de Lumicon.

A consulter : Simulateur de Couleur, saturation et contraste

Astre Indice de couleur Classe spectrale Température de couleur Couleur désaturée Référence 0.00 A0 9531 K Terre 0.20 A6 7767 K Neptune 0.45 F6 6501 K Uranus 0.55 F9 6083 K Vénus 0.79 G7 5312 K Pluton 0.79 G7 5312 K Jupiter 0.80 G8 5286 K Mercure 0.91 K0 5031 K Saturne 1.00 K2 4849 K Mars 1.37 K8 4209 K Les couleurs complémentaires de celles indiquées sont très sombres, presque noires (orange très foncé pour Uranus et Neptune, bleu nuit pour Mars). De tels filtres seraient inutilisables en astronomie, même pour la photographie. Il faut ajouter à ces couleurs de base l'éclat de la planète qui va ajouter quelques candelas. Mais dans tous les cas, les filtres colorés utilisés en astronomie présentent une faible densité, compatible avec l'observation visuelle. Elle s'accroît légèrement avec le diamètre des télescopes puisque leur clarté augmente comme le carré de l'ouverture.

Pour bien débuter vous pouvez donc acheter les 4 filtres suivants : jaune W15, orange W23A, vert W57 et bleu W80A ou leur variante plus dense (vert W57, rouge W25, violet W47, etc) si vous utilisez un télescope d'au moins 200 mm d'ouverture car ils absorbent trop de luminosité. Pour 80 à 100 € vous pouvez vous constituer cette panoplie de 4 filtres.

Deux recommandations : exiger toujours un filtre en verre coloré dans la masse car les filtres en plastique présentent en général une mauvaise qualité optique ou acheter des filtres Schott ou Kodak Wratten en gélatine. Ces deux derniers fabricants vendent toutefois ces filtres au format 4x4 ou 10x10 cm. Les prix des filtres Wratten au format 4x4 oscillent entre 15 et 30 € selon le modèle.

Les maisons d'astronomie vous proposeront d'autres modèles adaptés aux oculaires standards. N'achetez pas de modèle de 50 mm pour les télescopes catadioptriques sinon vous aurez du mal à les retirer du "visual back". Ces modèles sont également plus chers. Le filtre de 31.75 mm se vissant à la base de l'oculaire est la solution la plus simple.

Si vous préférez passer tous les filtres en revue au cours d'une observation, vous pouvez acheter des filtres Wratten en gélatine que vous pourrez aisément couper à dimension. Juxtaposez-les dans une petite réglette de 4-5 cm de largeur et 20 cm de longueur. En cours d'observation faites coulisser la réglette entre votre oeil et l'oculaire. En passant par exemple du filtre rouge W25 au violet W47 les nuages de Mars vous sauteront immédiatement aux yeux. De même, en passant du filtre bleu W47 au magenta W30 les WOS (taches blanches) de Jupiter ressortiront dans les bandes sombres et les zones claires. Les anneaux de Saturne seront également plus brillants sous un filtre vert W57 ou magenta W30 et feront ressortir les divisions de Cassini et de Encke. Le va-et-vient entre ces différentes couleurs provoquera des sauts de contraste qui révéleront beaucoup plus détails que si vous utilisiez un filtre unique durant toute la soirée. L'autre solution consiste bien sûr à utiliser une roue à  filtre oculaire mais cet accessoire est généralement adapté aux caméra CCD et aux photomètres.

L'éventail des filtres colorés satisfera l'amateur le plus exigeant. Ces filtres disposent d'un pas de vis adapté aux oculaires de 31.75 mm.

Enfin rappelons que pour observer le Soleil aucun de ces filtres ne convient en raison de leur transmission lumineuse beaucoup trop importante. Leur densité doit en effet être augmentée d'un facteur 4 ou 5 ! Pour observer le Soleil je vous conseille de consulter le dossier consacrée au choix d'un télescope ou je décris, images à l'appui, l'utilité des filtres solaires objectifs fabriqués en Mylar, en polyester aluminé ou en verre métallisé, les seuls filtres adaptés à l'observation directe du Soleil.

Notons qu'un filtre polarisant crée un tout autre effet sur le contraste. En modifiant la polarisation de la lumière, la quantité de détail ne change pas mais le contraste de la Lune par exemple est adoucit du fait que le halo brillant qui nous éblouissait normalement est supprimé en modifiant la polarisation de la lumière. Ainsi, même observée au crépuscule l’image de la Lune est plus belle sous un filtre polarisant qu’en lumière blanche ordinaire car le ciel prend une coloration bleu foncée au lieu de noir qui est beaucoup plus douce et agréable pour l’observation. L’effet est encore plus marqué lorsque la Lune est très haute sur l’horizon. Bien entendu cette appréciation reste subjective.

La qualité des filtres

Faut-il acheter un filtre en gélatine ou en verre ? Bien souvent l’acheteur potentiel hésite à acquérir un filtre en gélatine du fait que sa surface n’est pas plane, lui donnant le sentiment qu’il s’agit de matériel de moins bonne qualité optique. Il achetera de préférence un filtre en verre dont la surface est rigide, synonyme a priori de résistance et de qualité. La même attitude s’observe avec les filtres solaires objectifs en mylar; les filtres "ondulés" sont beaucoup moins demandés que ceux disposant d'une surface plane. Pourtant sur le terrain bien malin serait l’amateur qui pourrait voir une différence à l’oculaire entre l’image donnée par un filtre souple et un filtre en verre.

Mais en quoi les filtres en verre seraient-ils meilleurs que les filtres souples ? Les filtres de couleur sont en général colorés dans la masse afin d’obtenir une distribution uniforme de la couleur. Mais certains sont élaborés à partir de support en plastique (Coquin, Hoya, etc). Si cela offre l’avantage de les rendre incassables il sont également plus sensibles à l'abrasion mécanique (aux rayures) et à la chaleur.

Les filtres en verre sont-ils tous identiques ? Non. Le verre dont ils sont constitués peut présenter un indice de réfraction plus ou moins élevé, leur épaisseur peut être différente ainsi que leur bande passante au sein d'une même couleur. On considère en général que les filtres minces offrant un faible indice de réfraction sont meilleurs que les filtres épais offrant un indice de réfraction élevé car en traversant un filtre mince le faisceau de lumière convergeant vers l'oculaire risque moins de subir de déformations. 

Les deux types de filtres, en verre et en gélatine présentent en théorie le même indice de réfraction, voisin de 1. Le filtre en gélatine est donc en théorie aussi "plat" que le filtre en verre. Mais il n'est pas rare d'observer des filtres couleurs d'une grande marque présenter des zones plus ou moins denses ou des striures qui, placées dans une certaine position devant votre oeil gâcheront toute la beauté de l'image.

En astronomie la plupart des revendeurs proposent des filtres taillés dans le verre. A ce jour les filtres offrant la meilleure qualité sont proposés par Baader (réf. BPCF125) ou chez son représentant US Astro-Physics. Comme la plupart des filtres ils sont découpés, ajustés et polis individuellement à partir d’un modèle maître. Les deux surfaces sont ensuite recouvertes d’un multi-couche anti-reflets afin de réduire les pertes de lumière à une fraction de pourcent tout en offrant le moins possible d’images fantômes. Cette technologie permet par ailleurs d’offrir à l’amateur des filtres à bandes passantes étroites ou des fonctions spatiales (filtre passe-haut ou passe-bas).

A consulter : Coatings, revêtements anti-réflexions et dispersions

Les filtres en verre sont ensuite sertis dans un porte-filtre en aluminium anodisé qui est fileté sur ses deux faces afin de pouvoir visser d’un côté le filtre au système optique (oculaire, renvoi à 90°, lentille de Barlow, etc), de l’autre à un autre bague filetée si nécessaire. Les filtres recoivent ensuite l’estampie Wratten ou celle d’une autre marque.

Question de mise au point

Beaucoup d’amateurs se demandent également s’il y a des avantages ou des inconvénients à placer un filtre plus ou moins près du foyer et si sa position peut avoir influencer la qualité des images ?

Un bon filtre type Kodak Wratten ou Baader coûte au bas mot une bonne dizaine d'euros et ils sont souvent proposés par lot de 4 ou 6 couleurs. Ce prix reste démocratique quand on connaît le degré de précison avec lequel ils sont fabriqués. Les surfaces de tels filtres sont optiquement planes et strictement parallèles afin qu’on puisse les utiliser en série dans n’importe quelle configuration et pas uniquement près du plan focal.

En fait les filtres peuvent être placés à deux endroits dans un système optique : soit au niveau de l'oculaire soit devant l'objectif. Les filtres Baader par exemple ont été conçus pour être utilisés avec le binoculaire de la marque ou avec tout autre système optique dans lequel le filtre doit se placer à une distance d’au moins 120 mm du plan focal. Ces filtres peuvent donc venir s’insérer devant le renvoi à 90°, devant la lentille de Barlow ou une caméra CCD. Dans tous ces exemples il est avantageux d’utiliser un filtre dont les surfaces sont rigoureusement parallèles et offrant une excellente qualité optique pour éviter les images fantômes et l’astigmatisme.

Mais en insérant un filtre dans un système oculaire, on modifie obligatoirement la mise au point. En effet, l'épaisseur du verre dont le filtre est constitué présente une densité différente de celle offerte par une épaisseur équivalente d'air. Même un verre "clair" demande une correction de la mise au point, qu'il soit utilisé avec une lunette ou un télescope. Il faut également ajouter à l'effet de flou l'effet provoqué par la réfraction de la lumière en fonction de la longueur d'onde de travail (voir les prismes). Au plus il y a de différence entre les indices de réfraction de la lumière rouge et violette, au plus élevée sera la dispersion. C'est la raison pour laquelle les optiques mal corrigées présentent une aberration chromatique. C'est pour supprimer cette aberration qu'on utilise des éléments de lentille en flint et en crown dans les lunettes achromatiques.

En revanche, un filtre objectif affectera la bande passante de la lumière sans induire aucune modification de la mise au point. Seule la photographie UV au moyen d'un objectif fluorite nécessite une correction de la mise au point vers les plus courtes longueurs d'ondes tandis que la photographie IR exigera de rallonger la distance focale d'environ 0.25%. La qualité du faisceau lumineux issu d'un filtre objectif dépendra dans ce cas ci des caractéristiques de l'objectif, du système oculaire et de la sensibilité de l'oeil de l'observateur aux différentes longueurs d'ondes. Ainsi la sensation de netteté que l'on observe à l'oeil nu varie en fonction de la longueur d'onde et une image rouge semblera toujours plus nette qu'une image bleue mais l'âge de la personne fera varier plus ou moins fort cette impression.

Enfin, quelle que soit la position d'un filtre, un verre présente toujours des effets dispersifs qui imposent au fabricant de renormaliser le faisceau lumineux aux alentours de 560 nm, en considérant comme compromis l'une des raies vertes du mercure. 

Cela dit si vous utilisez toujours vos filtres très près du foyer, vissés à l’oculaire ou tenu à main levée devant vos yeux, de telles corrections ne sont pas nécessaires et la rectitude de la surface des filtres n’est vraiment pas un facteur critique. Mais personnellement je préfère visser un filtre en verre traité anti-reflet et anti abrasion sur un oculaire de 6 mm à $300 qu’une simple filtre en plastique qui présentera à terme des piqures et des griffes !

Filtres visuels et photométriques

C’est ici qu’on observe la plus grande disparité entre la qualité d’un filtre "grand public" et un filtre à vocation scientifique et cela se ressent évidemment au niveau du prix.

Ainsi Optec propose des filtres Wratten de 50 mm à … $40 l’unité qu’ils soient montés ou non. Comparés aux filtres colorés de Meade, Celestron, Parks ou Orion par exemple vous verrez beaucoup moins d’images fantômes dans un filtre d’Optec que dans n’importe quel filtre proposé par l’une des quatre marques citées. Mais il est difficile de comparer des accessoires incomparables : les premiers font 50 mm de diamètre et viennent se placer au niveau du renvoi à 90° tandis que les seconds mesurent 31.7 mm de diamètre et se vissent sur l’oculaire. Autant comparer des pommes avec des oranges !

Pour mémoire les filtres colorés vendus par Optec sont avant tout destinés à des applications scientifiques. Optec propose ainsi des filtres colorés baptisés U, B, V, R, I mais dont l’usage est réservé aux applications photométriques (l’analyse de la lumière des étoiles par exemple). Il s’agit de filtres dichroïques de 50 mm de diamètre coûtant de $70-80 l’unité.

A lire : La photométrie appliquée aux Pléiades

Caméra CCD MX916 Starlight Xpress (752x580 pixels) associée à une roule à filtre True Technology Custom-Wheel, le tout attaché à un télescope Celestron C14. Documents Pedro Ré.

Si vous prenez le filtre B par exemple il vous semblera offrir le même bleu que le filtre bleu le moins cher proposé par votre revendeur. Mais il s’en différencie par de nombreux points. Ainsi ce filtre photométrique comme tous ceux de cette série est traité multi-couches, il est opaque au rayonnement IR, son spectre suit un profil très rigoureux et obéit à des critères de qualifications stricts, autant de paramètres qui expliquent sa différence et son prix élevé. Les marques concurrentes telles Stromgren et Johnson proposent des filtres photométriques similaires.

Optec propose également de petits filtres photométriques de 12.7 et 38 mm de diamètre ainsi que des filtres interférentiels offrant une demi-bande passante de 10 à 40 nm.

Courbures spectrales des filtres couleurs Baader & Optec

Quant aux filtres interférométriques à bande étroite (filtre solaire Daystar ou Coronado) ils sont simplement hors prix (plus de 1000 euros) mais leur domaine d’application et leur durée de vie sont tout différents; ces filtres sont dédiés à l'observation monochromatique du Soleil principalement dans la raie de l'Hydrogène-alpha.

Ainsi, à choisir entre un filtre en gélatine et un filtre en verre, si vous observez uniquement les planètes visuellement, achetez les filtres les moins chers et vissez-les sur vos oculaires. Veillez seulement à ce que la surface soit de bonne qualité sans être parfaite afin que l’image ne soit pas dégradée. Pour plus de sécurité achetez vos filtres chez un revendeur réputé dont les revues d’astronomie font la publicité, vous serez ainsi à l’abri de toute surprise.

La vision des couleurs (sur ce site)