LES WEBCAMS ET LEURS FILTRES

LES WEBCAMS ET LEURS FILTRES

Quiconque se passionne pour les planètes sait que l'utilisation de filtres de couleur est d'une utilité incontestable. Si l'observateur visuel va trouver généralement (pas toujours) un appui précieux dans l'utilisation de filtres, l'utilisateur de CCD verra la qualité de son travail démultipliée par ces petits accessoires, dont il faut bien connaître l'utilisation potentielle. A partir de la courbe d'efficacité quantique du capteur de la webcam noir et blanc (le Sony ICX098BL), et les courbes annoncées de transmission des différents filtres que je possède, j'ai réalisé ce petit graphique qui permet de mieux comprendre comment tel filtre peut être utilisé...

Plage de sensibilité d'un capteur CCD classique utilisé pour l'astronomie amateur. Le capteur est très sensible dans le visible, avec un pic de sensibilité dans le vert aux alentours de 525 nm. La lumière visible s'étend de 400 nm (violet) à 700 nm (début du proche infrarouge). Un capteur CCD présente deux plages de sensibilité étendue, l'une assez faible dans le proche ultraviolet (UV, 300-400 nm), l'une nettement plus intense dans le proche infrarouge (700-1100 nm). Il est particulièrement intéressant, en astronomie planétaire, de pouvoir obtenir des images dans ces deux plages de sensibilité hors visible.

Les filtres Astronomik : Indiqués R, V, B simplement dans le graphique. Ces filtres sont les trois primordiaux qui ont permis de réaliser en 2003 la plupart des images en couleur de la planète Mars (voir la webcam à capteur noir et blanc en astronomie planétaire). Ils sont explicitement prévus pour la réalisation d'images CCD couleurs. Ils sont dits de "type II", car ils bloquent d'origine la partie infrarouge du spectre, sans que soit nécéssaire l''utilisation d'un filtre anti-infrarouge dans le même temps (il est recommandé dans la plupart des cas de bloquer l'infrarouge pour la réalisation d'images couleur pour que ces dernières restituent convenablement le visible). Ces filtres de très grande qualité ont donné entièrement satisfaction pour le but qui leur est assigné. Il est à noter que le filtre Rouge est inhabituellement large, de couleur orange en visuel il transmet dès 550 nm comme l'indique le graphique, alors que la plupart des filtres rouges sont un peu plus étroits (transmettant à partir de 580 ou 610 nm).

Pour faire un commentaire supplémentaire, je dirais que ce type de jeux de filtres trouve son aboutissement dans une excellente restitution des contrastes, des couleurs et des nuances dans l'image finale, mais que pris un par un les filtres ne sont pas forcément les plus adaptés à la bande passante qu'ils sont sensés représenter (par exemple si l'on souhaite obtenir une image dans le rouge (600-700 nm) il est possible que l'on trouve le filtre rouge Astronomik comme étant un peu trop large, comme expliqué plus haut). Ceci dit même ayant dit cela les Astronomik font vraiment un très bon travail. D'autres filtres seront cependant utilisés de façon préférentielle pour obtenir des données dans certaines longueurs d'onde précises.

ULTRAVIOLET (UV) : Ce filtre a été acheté à l'origine pour réaliser des images de la planète Vénus. Il permet d'obtenir sur cette planètes de superbes détails dans les nuages, contrastant avec l'aspect habituellement blanc uniforme des images de la planète.

Comme on le voit sur le graphique, en plus de l'étroitesse du filtre à l'origine, la faible sensibilité du capteur dans les courtes longeurs d'onde fait que très peu de lumière sera transmise. C'est pourquoi son utilisation pour d'autres planètes est très difficile. Néanmoins, au début de l'année 2004, de bonnes images UV de Jupiter et Saturne ont été obtenues à l'aide de l'ATK-1HS, webcam à capteur NB modifiée pour les "longues poses". C'est cette caractéristique qui a été utilisée pour les planètes gazeuses, avec des poses comprises entre 0,5 et quelques secondes par image brute. Les résultats, bien que toujours limités par rapport aux autres longueurs d'onde, sont à présents comparables au niveau de qualité obtenu jusqu'ici par les quelques amateurs qui ont tenté l'aventure UV (Cidadao, Akutsu, Colville, Peach...).

L'utilisation d'un filtre UV (qui correspond aux UV "A", ceux qui sont responsables du bronzage) a pour objet général de mettre en évidence les couches atmosphériques les plus supérieures des planètes, à l'exception de celles vues par les UV B et C, longueurs d'onde qui ne sont pas accessibles depuis la surface de la Terre (et de toutes façons les CCD n'y sont pas sensibles !).

Filtre "P" : Le filtre "Pourpre" (Purple) vient de la marque Schuler Astro-imaging ; il s'agit d'un "shortpass", un filtre qui ne transmet que les courtes longueurs d'onde. Il est censé transmettre aussi bien le bleu que l'ultraviolet (pic de transmission à 380 nm), toutefois comme l'indique le graphique en raison de la sensibilité fortement décroissante du capteur avant 400 nm, sa transmission la plus importante reste dans le bleu profond (400-450 nm). Ce filtre donne de meilleures images de l'atmosphère de Mars que le filtre bleu par exemple, avec un meilleur bloquage des détails de la surface. On peut également l'utiliser sur Jupiter pour contraster au maximum les bandes nuageuses.

Le W47 : le célèbre filtre "violet" souvent vendu et recommandé est très difficile à utiliser, car il ne transmet que très peu de lumière. Concrètement il faut un grand diamètre, ou bien une webcam à capteur noir et blanc pour arriver à s'en servir (sauf sur Vénus). Ce filtre a été utilisé à quelques reprises sur Mars en septembre 2003 pour tenter de faire le travail alors impossible à réaliser dans l'ultraviolet : obtenir des images des nuages blancs à haut contraste, tout en bloquant les détails de la surface. Les résultats obtenus sont très bons de ce point de vue. Le W47 est également capable de montrer les détails de l'atmosphère de Vénus qui apparaissent normalement dans l'ultraviolet, quoi qu'avec moins de contraste, bien entendu.

La première difficulté de ce filtre cependant, ce n'est pas sa faible transmission dans le bleu, c'est sa forte transmission dans l'infrarouge ! C'est pourquoi toute tentative d'utilisation de ce filtre en CCD est voué à l'échec tant qu'un filtre IRcut performant (bloquant toute transmission au-delà de 700 nm) ne sera pas placé dans le chemin de la lumière. Sinon c'est tout simplement une image infrarouge que l'on obtient... Cette transmission est d'ailleurs bien perceptible pour l'oeil nu : les objets de couleur rouge, ou ceux vivement éclairés par le Soleil, prennent une couleur rouge-pourpre vus à travers ce filtre, teinte qui disparaît - à l'oeil nu !- si on utilise un IRcut (les objets redeviennent alors bleus).

Les filtres "longpass" sont des filtres qui transmettent les longueurs d'onde élevées. Au contraire des filtres à bande passante (bandpass) comme les Astronomik, ils ont pour caractéristique d'avoir un début de transmission, mais pas de fin : une fois la transmission maximale atteinte, ils continuent à passer 100 % de la lumière reçue, dans l'infrarouge jusqu'à bien au-delà des limites du capteur.

le RG 610 : ce filtre rouge prononcé a été acheté au mois de juin 2003 pour réaliser des images à haut contraste de Mars dans le rouge. Il est plus rouge que le Wratten 25A (généralement la couleur rouge la plus prononcée que l'on trouve dans les filtres colorés classiques). Sa particularité par rapport à un filtre comme le R Astronomik par exemple, outre sa différence de couleur en visuel, est de laisser passer l'infrarouge. C'est cette caractéristique qui était recherchée. En effet, les régions sombres de Mars sont de plus en plus contrastées par rapport aux déserts oranges au fur et à mesure que l'on se déplace vers le rouge puis l'infrarouge. Le fait de ne pas bloquer l'IR permet donc d'augmenter le contraste de l'image par rapport au filtre Astronomik :


Deux images de Mars prises le 11 août 2003, à gauche avec le filtre Rouge Astronomik (bloquant l'IR) et à droite avec le RG610 (laissant passer l'infrarouge). Le contraste et le rapport signal sur bruit de l'image de droite sont supérieurs.

L'autre avantage de laisser passer l'IR est d'obtenir plus de lumière, ce qui facilite les réglages de la webcam, mais aussi le traitement ultérieur dans la mesure où le rapport signal sur bruit des brutes est plus élevé. En revanche il apparaît que la stabilité de l'atmosphère est moindre dans cette formule R + IR que dans le rouge seul (lire Le capteur noir et blanc en webcam planétaire)... Le choix de la formule à utiliser (R, R + IR, IR seul, voir plus bas), est donc à évaluer en fonction des conditions !

L'infrarouge est une longueur d'onde intéressante dont on a tort de se défier. Un préjugé tenace, surtout chez les utilisateurs de webcam, est de dire que l'infrarouge est "flou". Ce jugement provient certainement de certaines difficultés de focalisation qui peuvent être parfois provoquées par la présence de l'IR, dans la mesure où tout le spectre lumineux ne se focalise peut-être pas toujours au même point (mais même ceci demanderait à être vérifié). En fait l'IR n'est pas plus "flou" que les autres longueurs d'onde, bien entendu. Il va permettre au contraire de révéler des détails intéressants sur les planètes. Sur Mars, le contraste des taches sombres est maximal ; en présence de tempêtes de poussières, le filtre IR, qui a un grand pouvoir de pénétration des atmosphères, va permettre de bien délimiter l'emplacement des nuages de poussières et leur évolution. Jupiter et Saturne vont montrer de petites structures situées dans les couches immédiatement inférieures de leurs atmosphères.

Un filtre infrarouge est généralement facile à utiliser, et ce pour deux raisons : la première est que les capteurs CCD sont très sensibles dans ces longueurs d'onde, au contraire malheureusement de l'ultraviolet. La deuxième est que l'atmosphère est nettement plus stable dans l'IR que dans le visible, ce qui favorise la qualité des images.

Il y a, cependant, un problème : la tache de diffraction étant plus grande dans l'IR que dans le visible (lois de diffraction), la résolution de l'instrument peut être diminuée. Ceci est de nature à poser un problème aux utilisateurs de télescopes de moins de 200 mm avec des filtres IR assez profonds (comme le IR780...).


Mars le 25 septembre 2003, pris à gauche dans le rouge seul (filtre Astronomik) et à droite dans l'infrarouge seul (filtre IR78). Le contraste supérieur mais aussi la moindre définition de l'image se voit très bien avec le IR78.

Enfin, une dernière remarque s'impose au sujet de ce type de filtres : il est important de noter que l'expression "filtre IR" s'applique bien à des filtres qui laissent passer l'infrarouge, non aux filtres qui le bloque, qui doivent eux être désignés comme filtres IRcut, IRB...

IR-C : Du constructeur américain Murnaghan, le IR-C (pour IR Continuum) est le fitre infrarouge le plus large qui puisse exister. Sa transmission commence dans le rouge profond et à 700 nm, longueur d'onde qui est généralement considérée comme le début du proche infrarouge, il transmet déjà près de 100% de la lumière reçue. Il est destiné à produire des images IR des planètes gazeuses, peu lumineuses dans cette longueur d'onde, avec un très bon rapport signal sur bruit.

IR 780 : Le filtre IR 780 est un filtre un peu plus profond, coupant plus efficacement avec le rouge visible que le IR-C. Il donne plus ou moins les mêmes résultats que ce dernier mais avec plus de contraste (cas de Mars et Jupiter). A d'autres occasions sa meilleure capacité de pénétration des atmosphères mènera à une information différente (cas de Saturne, qui ne montre pas tout à fait les mêmes détails qu'à 700 nm). Il donne une meilleure stabilité atmosphérique que le IR-C mais dans certaines conditions (télescope peu puissant par exemple) il peut se révéler difficile d'utilisation pour cause de manque de lumière.

IR 1000 : Le filtre IR 1000, transmettant 50 % de la lumière reçue à partir d'1 micron de longueur d'onde, se concentre sur l'extrême fin de la plage de sensibilité du capteur CCD. Il a une excellente capacité de pénétration atmosphérique mais sa transmission devient presque ridicule (sa courbe sur le graphique est complètement écrasée par rapport aux autres). Ce filtre sera utilisé sur Vénus, planète à l'éclat intense.

Signalons qu'une quatrième transmission infrarouge peut être obtenue en vissant le W47 sur le RG 610. En effet, ces deux filtres transmettent très bien l'infrarouge. Utilisés conjointement chacun va bloquer la transmission visible de l'autre (le bleu bloque le rouge, le rouge bloque le bleu). Seule passe alors l'infrarouge. Cette technique a été utilisée avec succès en octobre-décembre 2003 avant l'acquisition du IR-C ; la transmission est alors du style 720-1000 nm, intermédiaire entre le IR-C et le IR 780, et suffisamment "large" pour permettre une utilisation dans toutes les situations.

Le Fuji SP-4 : (courbe non montrée) Le Fuji SP-4 est un filtre magenta : il a une double transmission, dans le bleu et dans le rouge. Il a pour caractéristique amusante par exemple sur Mars, d'augmenter à la fois le contraste des nuages blancs et des détails de la surface ! Toutefois, son utilisation résulte d'une brillante idée du Japonais Kunihiko Okano , toujours dans l'optique de réalisation d'images à haut contraste de l'atmosphère martienne. La transmission du SP-4 dans les courtes longueurs d'onde est en effet de nature à combler ce désir : le pic de transmission se situe dans l'ultraviolet à 380 nm et sa transmission décline très rapidement après 450 nm, assurant ainsi un bloquage efficace des détails de la surface de la planète. Reste alors à éliminer la transmission du filtre dans le rouge et l'infrarouge... Ici l'idée d'Okano est d'utiliser dans le même temps le filtre bleu habituel (du moins un qui bloque d'origine l'infrarouge) : pour lui le IDAS de type II et dans mon cas le filtre bleu Astronomik. Les résultats sont particulièrement satisfaisants, mais pour 2005 j'aurais la possibilité de faire carrément de l'ultraviolet :)

Le FILTRE IR CUT : ou filtre de luminance. Ce filtre, ici dans cet équipement encore un Astronomik, a pour fonction de ne laisser passer que la partie visible du spectre lumineux (soit de 400 à 700 nm), en bloquant éventuellement l'ultraviolet mais surtout l'infrarouge. Ce filtre peut avoir trois types d'utilisation :

Ici il s'agit de rapprocher les couleurs que donne la webcam de celles que l'on voit en visuel. Facultatif sur des planètes comme Jupiter et Saturne, ce filtre devient indispensable pour Mars - cette planète a en effet pour caractéristique de présenter une très importante transmission dans l'infrarouge, qui va considérablement délaver les couleurs produites par la webcam de l'orange vers le rose-gris. Toutefois certains observateurs utilisent délibérément leur webcam sans IRcut sur Mars, pour pouvoir profiter du contraste apporté par l'infrarouge (au prix de couleurs souvent peu satisfaisantes évidemment). Sur Mars l'usage d'un tel filtre est également indispensable pour pouvoir recentrer les composantes RVB si ces dernières sont décalées par la réfraction atmosphérique.

Avec la webcam à capteur noir et blanc, on peut envisager ce filtre pour produire une image de luminance de haute qualité qui sera ensuite colorisée par exemple avec une image ToUcam Pro. Cette technique n'a pas les faveurs de l'observateur s'agissant de Mars, mais elle marche très bien pour Saturne.

On peut aussi penser à visser l'IRcut sur un autre filtre afin d'isoler certaines longueurs d'onde (avec la webcam NB). Par exemple avec le RG 610, on obtient une bande passante correspondant au rouge visible théorique (610 - 700 nm). De même certains filtres de couleur peuvent recquérir l'adjonction de l'IRcut dans la mesure où ils présentent une double transmission visible/infrarouge. C'est le cas par exemple du filtre bleu très profond Wratten 47, qui a pour caractéristique comme on l'a vu plus haut de mieux transmettre l'infrarouge que le bleu !