Rapport d’ouverture et images de grande profondeur de champ en astrophotographie

L’utilisation de réducteurs

Un réducteur peut être utile pour adapter la distance focale à la taille de l’objet ou aux conditions atmosphériques.

Les réducteurs servent à diminuer la distance focale et on les utilise volontiers pour obtenir un nombre F (distance focale divisée par diamètre d’ouverture) plus petit. Il n’est également pas rare de lire sur Internet que l’on obtient ainsi « plus de signal » sur le capteur. Le but est d’obtenir un meilleur rapport signal/bruit (SNR), ce qui est important pour créer des images du ciel profond d’une très grande profondeur de champ, ou de réduire les temps d’exposition.

Le nombre de photons d’un objet enregistrés avec une caméra CCD est déterminé essentiellement par l'ouvertuer du télescope collectant la lumière et par le temps d’exposition. En photographie traditionnelle, pour s’adapter aux conditions d’éclairage à une distance focale constante, le réglage du diaphragme modifie l’ouverture et, par là même, le nombre de photons impactant le capteur. Pour la discipline grand angle et téléobjectif de l’astrophotographie, l’indication suivante s’applique donc : un F plus petit conduit, pour un temps d’exposition identique, à un meilleur SNR. En astrophotographie, on parle alors d’image de plus grande profondeur car les objets plus faibles se détachent mieux du bruit numérique.

Pour les télescopes, les choses sont toutefois quelque peu différentes. On utilise ici des réducteurs qui réduisent la distance focale du télescope, tandis que le diamètre d’ouverture reste constant. Ceci a pour effet d’augmenter non pas le nombre de photons collectés mais le nombre de photons par pixel. Cela signifie que le bruit statistique des photons s’améliore seulement par rapport aux pixels individuels mais pas pour l’objet dans son ensemble. Ceci ne s’applique toutefois qu’aux objets bidimensionnels résolus. En revanche, les sources ponctuelles ne « réagissent » pas à un réducteur, elles ne réagissent au contraire qu’à une ouverture plus grande. Pour les objets bidimensionnels, le temps d’exposition nécessaire diminue à concurrence du facteur R suivant pour obtenir un SNR donné :

R = (F réduit / F normal) x 2 = (Facteur de réduction) x 2

Un réducteur de 0,75x réduit ainsi le temps d’exposition presque de moitié. Au même temps d’exposition, et pour des objets bidimensionnels, le SNR s’améliore à concurrence de l’inverse du facteur de réduction. Un réducteur de 0,75x améliore le SNR de 1,33x. Mais, en même temps, la résolution diminue obligatoirement, ce qui signifie une perte d’informations. En fait, la granularité de l’image devient seulement moins visible, ce qui équivaut à utiliser de plus gros pixels. Pour obtenir réellement plus d’informations sur l’image et, ainsi, une image véritablement plus profonde, il faudrait choisir un télescope d’une plus grande ouverture. Plutôt qu’un réducteur, on pourrait en outre envisager un binning logiciel après coup regroupant les valeurs de signaux de plusieurs pixels. Au terme de cette réflexion, on pourrait se demander pourquoi utiliser des réducteurs. Il existe toutefois plusieurs raisons rendant judicieuse l’utilisation d’un réducteur.

Dans un projet astrophotographique, le SNR peut avoir une importance décisive, par exemple lorsqu’il s’agit de mettre en évidence une structure d’une magnitude extrêmement faible. Citons ici la mise en évidence de jets de galaxies faibles et la photographie par utilisation de filtres à bande étroite. Par ailleurs, outre le bruit de grenaille des photons, nous n’avons pas pris en compte jusque-là le bruit interne à la caméra. Pour qu’un objet se détache mieux de ce bruit, une plus grande ouverture serait sans nul doute la meilleure solution, mais il se peut qu’elle ne soit pas réalisable. Dans les scénarios à très faible bruit de grenaille des photons, un réducteur améliore la distance entre le signal et le bruit de la caméra, car un plus grand nombre de photoélectrons fait face à un nombre égal d’électrons de bruit par pixel. Une simple réduction d’une image après coup sans réducteur, par EBV, ne permet pas de générer le même effet. Un réducteur est donc réellement un avantage ici.

Pour des images détaillées d’objets du ciel profond plus petits, on utilise volontiers des télescopes avec de longues distances focales, par exemple des télescopes RC. Il n’est toutefois pas rare que les propriétaires de ces instruments ou de caméras CCD avec de très petits pixels rencontrent des problèmes avec le seeing. Les étoiles apparaissant sur les images sont alors gonflées et les fins détails sont brouillés. Le pouvoir de résolution du télescope ne peut ainsi absolument pas être utilisé. Si l’on ne peut pas ou que l’on ne souhaite pas acquérir un arsenal d’instruments comportant l’optique adaptée à chaque situation, l’alternative est alors un réducteur. Dans ce cas, on pourrait en principe réduire les images facilement après coup ou bien les créer déjà avec binning. Utiliser un réducteur présente toutefois l’avantage d’un champ de vision plus grand. Enfin et surtout, une tâche importante de l’astrophotographe consiste à choisir la section d’image pour une composition d’images esthétique. Certains motifs nécessitent éventuellement un champ de vision plus grand, ce qui fait qu’un réducteur peut être nécessaire.

Le réducteur peut être un moyen important pour adapter la distance focale à la taille de l’objet ou aux conditions atmosphériques. Pour des objets bidimensionnels très faibles, également, réduire la distance focale est un avantage si l’on peut tolérer une perte de résolution. Sinon, une seule chose est importante pour ces objets : une ouverture aussi grande que possible !

Auteur : Mario Weigand / Licence : Oculum-Verlag GmbH