Äîêóìåíò âçÿò èç êýøà ïîèñêîâîé ìàøèíû. Àäðåñ îðèãèíàëüíîãî äîêóìåíòà : http://www.cieletespace.fr/files/InstrumentTest/201009_test_camerasEMCCD.pdf Äàòà èçìåíåíèÿ: Wed Feb 23 13:49:39 2011 Äàòà èíäåêñèðîâàíèÿ: Tue Oct 2 03:08:35 2012 Êîäèðîâêà: Ïîèñêîâûå ñëîâà: m 63

TEST

CamÈras EMCCD

Des camÈras ultrasensibles bientÒt pour les amateurs
Un nouveau type de camÈra
pourrait rÈvolutionner la pratique des astronomes amateurs. Il s'agit des EMCCD douÈes de performances Ètonnantes en conditions de basse lumiÕre. PhÈnomÕnes rapides, planÕtes, ciel profond... : nous avons entrepris d'Èvaluer leurs atouts dans diffÈrents domaines d'observation.

Univ. de Cambridge

ntre astronomes amateurs, si vous affirmez voir les Ètoiles de l'amas globulaire d'Hercule sur des photos prises au 1/25 s, il y a de grandes chances que l'on vous rie au nez. Et pourtant, c'est possible ! InventÈes il y a une dizaine d'annÈes, les camÈras EMCCD (Electron-Multiplying CCD) reprÈsentent dÈjÞ une petite rÈvolution chez les professionnels, dans le domaine de la haute rÈsolution. Elles permettent d'obtenir une qualitÈ d'image

E

optimale pour des prises de vue rapides. Jusqu'ici, leur prix de vente restait dissuasif pour le monde amateur, mais la donne change. Depuis 2007, la sociÈtÈ Raptor commercialise la camÈra Merlin vendue autour de 6 500 (voir http://bit. ly/c6Turu). Un prix ÈlevÈ pour un particulier, mais Þ la portÈe de certains clubs d'astronomie. En appliquant les mÉmes techniques que les astronomes amateurs en imagerie

planÈtaire pour lutter contre la turbulence (des acquisitions Þ cadence rapide, dont on additionne les meilleurs clichÈs), les professionnels obtiennent une rÈsolution Ètonnante sur le ciel profond. "En sÈlectionnant 10 Þ 30 % des meilleures images d'une sÈrie, le tÈlescope NOT de 2,5 m, installÈ Þ La Palma (Canaries), est capable de produire des images comparables en terme de rÈsolution Þ celles du tÈlescope spatial Hubble", signale Craig Mackay,

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Rubrique rÈalisÈe par

Jean-Luc Dauvergne

CCD èlectron

Pixel

EMCCD èlectron

Convertisseur analogique numÈrique Registre de transfert Registre de transfert

Convertisseur analogique numÈrique

os hot EP C& ne/ rg uve .Da J.L

Registre de multiplication des Èlectrons
J.L.Dauvergne/C&E Photos

de l'universitÈ de Cambridge. Mieux : en couplant la camÈra Þ un systÕme d'optique d'adaptative sur le tÈlescope de 5 m du mont Palomar, les images sont deux fois plus fines que celles de Hubble dans le proche infrarouge ! Le secret de ces camÈras : elles sont capables de dÈtecter des quantitÈs infimes de photons. Les capteurs CCD astro parviennent gÈnÈralement Þ dÈtecter la moitiÈ des photons incidents. En percutant le capteur, ceux-

J.L.Dauvergne/C&E Photos

Avec les camÈras EMCCD, l'Institut d'astronomie de l'universitÈ de Cambridge a dÈveloppÈ la technique de Luck Imaging. Elle consiste Þ employer en ciel profond les mÉmes principes que les astronomes amateurs en observation planÈtaire. Autrement dit, enregistrer un maximum de poses courtes dont on additionne ensuite celles les moins affectÈes par la turbulence. L'image cicontre montre le rÈsultat en pointant la nÈbuleuse planÈtaire de l'oeil de Chat avec le tÈlescope de 5 m du mont Palomar. þ gauche, la rÈsolution obtenue en longue pose classique ; Þ droite en Lucky Imaging.

ci excitent un Èlectron. Pour obtenir une image, il suffit de compter les Èlectrons excitÈs sur chaque pixel. C'est lÞ que le bÁt blesse. Intervient ici un paramÕtre important pour Èvaluer la qualitÈ d'une camÈra : le "bruit de lecture", c'est-Þ-dire la variation autour de la valeur thÈorique attendue en sortie de capteur. Pour une camÈra CCD classique, ce bruit de lecture est compris de 10 Þ 30 Èlectrons. Prenons un exemple : si un tÈlescope recueille 200 photons en 1 seconde, ceux-ci seront transformÈs sur le capteur en 100 Èlectrons (si la camÈra a un rendement de 50 %) et, Þ la sortie, on mesurera des valeurs comprises entre 85 et 115 Èlectrons (bruit de lecture de 30 Èlectrons). Plus le flux de photons est important, plus le bruit de lecture devient minime en proportion. En revanche, si vous voulez dÈtecter une Ètoile dont on ne recueille que 10 photons en 1 s, ce signal sera noyÈ dans le bruit de lecture. C'est lÞ tout l'intÈrÉt d'une camÈra EMCCD, dont le bruit de lecture est infÈrieur Þ 1 Èlectron ! Pour y parvenir, un systÕme amplifie le signal en sortie de capteur, avant mÉme la lecture. Chaque Èlectron est multipliÈ d'un facteur 500 Þ 1 000, si bien que le bruit induit par la lecture du signal devient nÈgligeable. Le seul reproche Þ ces camÈras est que, dans la gamme de prix "raisonnables", leur capteur n'est guÕre plus rÈsolu que celui d'une webcam. Nous avons fait nos tests avec le modÕle le plus accessible du moment : la Merlin de la sociÈtÈ Raptor.

Une camÈra EMCCD diffÕre peu d'un capteur CCD classique. Pour Étre lus, les Èlectrons enregistrÈs sont dÈcalÈs progressivement de pixel en pixel avant d'Étre convertis en signal numÈrique. L'EMCCD, reprend le mÉme principe en ajoutant un registre de multiplication des Èlectrons afin de rendre le bruit de lecture nÈgligeable.

Ci-dessus, la camÈra Merlin commercialisÈe par la sociÈtÈ Raptor est actuellement la plus abordable du marchÈ. Elle est utilisable soit en mode vidÈo, soit en USB

Voir les phÈnomÕnes rapides
LE TEST ULTIME DU CRABE En captant la moitiÈ des photons incidents, la camÈra Merlin permet d'observer des phÈnomÕnes rapides. Nous l'avons montÈe sur le tÈlescope de 1 m du Pic du Midi pour pointer la nÈbuleuse du Crabe. Issue de l'explosion d'une Ètoile, cette nÈbuleuse abrite un pulsar -- autrement dit, une Ètoile Þ neutrons qui effectue un tour sur elle-mÉme toutes les

Ci-dessous, le tÈlescope de 1 m de l'observatoire du Pic du Midi a ÈtÈ utilisÈ pour tenter de dÈtecter les pulsations du pulsar du Crabe avec une camÈra EMCCD. Un rÈducteur de focale 0,33x a ÈtÈ montÈ devant la camÈra afin de passer de 17 m Þ 5,6 m.

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La nÈbuleuse du Crabe (visible ci-dessus par le tÈlescope Hubble) abrite un pulsar de magnitude 16 tournant sur luimÉme 30 fois par seconde. Les images ci-dessus en noir et blanc ont ÈtÈ rÈalisÈes avec le tÈlescope de 1 m du Pic du Midi en effectuant des temps de pose de 11 millisecondes. þ gauche, le pulsar est presque invisible, l'image du milieu montre son Èclat moyen et celle de droite son Èclat maximum.

33 millisecondes (ms). Tel un phare, le pulsar du Crabe clignote une fois toutes les 33 ms. C'est ce que nous avons cherchÈ Þ dÈtecter. Sachant que le pulsar brille d'une magnitude 16, le rÈsultat n'Ètait pas garanti. Pourtant, il apparaÍt sur des poses de 11 ms seulement ! L'image est bruitÈe, mais elle montre une Ètoile faible qui

clignote. Nous avons confiÈ les donnÈes Þ Bernard Tregon, ingÈnieur de recherche au CNRS-ENS-LKB. MalgrÈ la faible quantitÈ de signal recueillie, il a ÈtÈ capable d'en extraire la pÈriode de rotation, comme le montre sa page web consacrÈe Þ cette observation : http://bit. ly/bnenU0. VoilÞ une belle dÈmonstration technique des possibilitÈs offertes.

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Univ. de Cambridge

Cette vue de M13 a ÈtÈ rÈalisÈe avec le tÈlescope de 5 m de l'observatoire du mont Palomar. En haut, la rÈsolution sans correction est de 0,65". En bas, en couplant un systÕme d'optique adaptative et Lucky Imaging, on dÈpasse le tÈlescope spatial avec une rÈsolution de 0,035" !

J.L.Dauvergne/C&E Photos

UN OEIL ARTIFICIEL POUR LES MèTèORES Qui a dÈjÞ tentÈ de photographier des Ètoiles filantes avec un reflex numÈrique a pu constater que l'appareil enregistre beaucoup moins de mÈtÈores que ceux visibles dans le ciel. Et pour cause, un appareil photo capte 4,5 fois moins de photons que l'oeil humain. De plus, sur un phÈnomÕne aussi bref, le bruit de lecture

J.L.Dauvergne/C&E Photos

J.Schedler/C&E Photos

Univ. de Cambridge

de l'appareil photo dÈgrade la performance. Les capteurs EMCCD apparaissent ici comme un outil intÈressant. Pour ce genre d'application, la magnitude limite atteinte dÈpend du diamÕtre de l'objectif. On trouve Þ prix abordable des objectifs vidÈo en monture C compatibles avec la camÈra Merlin. Avec une focale Èquivalant Þ celle de notre oeil (22 mm), le champ couvert n'est que de 17° dans la largeur

Nasa/ESA/C&E Photos

La nÈbuleuse d'Orion (en haut) abrite en son sein un trapÕze de jeunes Ètoiles. Nous avons zoomÈ sur celui-ci avec les 17 m de focale du tÈlescope de 1 m du Pic du Midi. þ gauche : une image brute de 1/25 s et d'une rÈsolution de 0,3". Au centre : en combinant 32 poses, on conserve une rÈsolution de 0,6". þ droite : l'addition de 238 images permet de faire sortir la nÈbuleuse, pourtant invisible sur les images brutes.

Les optiques adaptatives de nouvelle gÈnÈration
DR

Ci-dessus, la camÈra Ocam conÃue Þ Marseille est ultrasensible et peut enregistrer 1500 images par seconde. Un record. Elle sera prochainement installÈe au Very Large Telescope.

Jean-Luc Gach, ingÈnieur Þ l'observatoire de Marseille, a travaillÈ Þ la conception d'Ocam, la camÈra la plus rapide et la plus sensible du monde. Cette camÈra EMCCD est capable d'enregistrer 1 500 images par seconde ! "La technique d'Ocam est utilisÈe par l'Observatoire europÈen austral. Le premier instrument Þ en bÈnÈficier sera Sphere, au VLT, qui dÕs 2011 photographiera de maniÕre routiniÕre les planÕtes extrasolaires." La camÈra en elle-mÉme n'est pas utilisÈe pour rÈaliser des images, mais pour analyser les dÈformations liÈes Þ la turbulence dans un systÕme d'optique adaptative. "Les optiques adaptatives de nouvelle gÈnÈration utilisant Ocam iront plus vite, avec pour consÈquence des images Þ 90-95 % de la tache thÈorique de diffraction. Actuellement, on est plutÒt autour de 50 % dans le meilleur des cas", souligne Jean-Luc Gach.

du capteur. Il est donc prÈfÈrable de miser sur une focale plus courte, de l'ordre de 4 Þ 6 mm pour couvrir un champ de 60 Þ 100°. Soulignons qu'il est possible de trouver des objectifs vidÈo trÕs ouverts (faible rapport entre la focale et le diamÕtre) allant jusqu'Þ f/0,95, Þ des prix abordables (quelques centaines d'euros). Avec un tel dispositif, des Ètoiles filantes de magnitude comprise entre 5 et 6 sont dÈtectables. Avec des capteurs EMCCD de plus grande taille (coØtant plusieurs dizaines de milliers d'euros), les professionnels peuvent utiliser des objectifs de plus grand diamÕtre, et parviennent ainsi Þ dÈtecter des mÈtÈores de magnitude 8, invisibles Þ l'oeil nu. LES OCCULTATIONS D'èTOILES Depuis peu, l'observatoire de Paris-Meudon s'est ÈquipÈ de plusieurs camÈras Merlin Raptor, afin de suivre des phÈnomÕnes transitoires, notamment les occultations d'Ètoiles par des astÈroÎdes.

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Pour l'astronome Bruno Sicardy, c'est l'outil idÈal pour ce type d'observations : "L'EMCCD permet d'atteindre des bruits de lecture infÈrieurs Þ 1 Èlectron. Les Watec ou autres camÈras habituellement utilisÈes pour ce type d'observations sont 4 Þ 6 fois bruitÈes." Les occultations peuvent Étre visibles n'importe oÛ sur Terre. Les astronomes doivent donc utiliser des tÈlescopes amateurs facilement transportables pour les Ètudier, ce qui limite la magnitude des Ètoiles visibles sur de courts temps de pose. Les camÈras EMCCD permettent donc de viser des Ètoiles plus faibles, ou Þ tout le moins d'amÈliorer la qualitÈ des mesures sur les Ètoiles plus brillantes. "Nous avons besoin des cadences typiques de 5 Þ 10 images par seconde", prÈcise Bruno Sicardy. Pour les astronomes, ce type d'occultation permet de dÈterminer la forme d'un astÈroÎde. Quand celui-ci Èclipse l'Ètoile, il projette sur la Terre une "ombre" qui a exactement son contour. Si de nombreux observateurs, rÈpartis sur la bande d'occultation, chronomÕtrent le phÈnomÕne, il est ensuite aisÈ d'en dÈduire la forme du petit astre. C'est notamment ainsi que les astronomes ont pu dÈterminer sous quel angle la sonde Rosetta allait voir l'astÈroÎde Lutetia lors du survol du 10 juillet 2010 (lire page 26).
En dÈpit d'une Lune presque pleine lors de l'observation, ces deux images de l'amas M 13 montrent l'extrÉme sensibilitÈ d'une camÈra EMCCD montÈe sur un gros instrument amateur, ici le tÈlescope Jean-Marc Salomon de 600 mm, installÈ Þ Buthiers (77). þ gauche : une image brute de 40 ms de pose. þ droite : la somme de 117 poses, soit moins de 5 secondes en tout !

J.L.Dauvergne/C&E Photos

L'imagerie planÈtaire
Depuis l'apparition des webcams, les amateurs ont bien compris que la meilleure stratÈgie pour obtenir des images planÈtaires de qualitÈ consiste Þ faire un maximum d'acquisitions par seconde. Au traitement, les meilleures d'entre elles sont additionnÈes. NÈanmoins, la recette n'est pas miraculeuse, la stabilitÈ du ciel restant un facteur prÈDans la raie du mÈthane, Þ 732 nm, Saturne est trÕs sombre. Au foyer du tÈlescope de 1 m du Pic du Midi, un temps de pose de plusieurs secondes est nÈcessaire pour la dÈvoiler correctement. Si le ciel est peu stable, on obtient une image floue comme celle de gauche. Au contraire, en additionnant 32 poses de 0,5 s (trÕs brÕves), on obtient une image nettement plus fine.

Sur les planÕtes, une camÈra EMCCD permet de raccourcir le temps de pose quand la turbulence est trop forte. En haut : une image brute de 1/50 s prise par une nuit peu stable sur le tÈlescope de 1 m du Pic du Midi. En bas : la somme des 84 meilleures images de la sÈquence de prise de vue.

pondÈrant de rÈussite. En grossissant suffisamment l'image par rapport Þ son tÈlescope, le temps de pose requis est de l'ordre de 1/5 s sur une planÕte comme Saturne. C'est souvent trop long pour figer la turbulence. Il est toujours possible d'effectuer un temps de pose plus bref, tout en augmentant la frÈquence de prise de vue, mais cela se fait au dÈtriment du bruit de lecture. Si vous faites deux images de 1/10 s au lieu d'une de 1/5 s, vous enregistrez celui-ci deux fois. Avec une EMCCD, le problÕme est rÈsolu. Nos tests montrent que des temps de pose de 1/50 s, voire de 1/100 s sont applicables. Avec le tÈlescope de 1 m du Pic du Midi, il a ÈtÈ possible d'extraire quelques bonnes images brutes de la sÈquence malgrÈ un ciel relativement turbulent ce soir-lÞ. Nous avons mÉme pu rÈaliser des prises de vue avec un filtre mÈthane. Celui-ci, centrÈ dans l'infrarouge sur 732 nm, requiert de longs

J.L.Dauvergne/C&E Photos

temps de pose, car il s'agit d'une bande d'absorption sur les planÕtes gazeuses. Habituellement, des temps de pose de 10 Þ 30 s sont nÈcessaires pour obtenir un rÈsultat de qualitÈ. Lors de notre test, nous avons pu nous contenter de seulement 0,5 Þ 1 s.

Le ciel profond
C'est en ciel profond que les EMCCD s'avÕrent les plus Ètonnantes. Nous avons effectuÈ plusieurs tests avec des tÈlescopes de diamÕtres diffÈrents, et le rÈsultat est Þ chaque fois impressionnant. Sous le ciel pur du Pic du Midi, la camÈra a ÈtÈ montÈe sur un Ritchey-ChrÈtien de 150 mm. En seulement 150 ms, l'amas globulaire M 3 apparaÍt de faÃon Èvidente Þ l'Ècran. DÕs lors, une telle camÈra permet des dÈmonstrations grand public en projetant l'image sur un Ècran et en naviguant d'objet en objet, comme on le fera avec une camÈra vidÈo classique sur la Lune ou les planÕtes.

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Certains sacralisent les Ètoiles ?
Nous les expliquons
Parce que tout le monde doit avoir accÕs Þ l'information, Þ la culture, aux sciences, nous multiplions les actions de sensibilisation Þ l'astronomie
E.Perrin

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(1) L'Èchantillonnage est la portion de ciel visible sur chaque pixel de la camÈra. Celle-ci dÈpend de la focale du tÈlescope et de la taille des pixels. On calcule cette valeur avec la formule suivante : E = 206 â P/F, oÛ E est l'Èchantillonnage en seconde d'arc par pixel, P est la taille des pixels en microns, et F la focale du tÈlescope en millimÕtres.

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LÞ oÛ cette technique semble la plus intÈressante, c'est dans la recherche de rÈsolution en ciel profond. En montant la camÈra sur le tÈlescope Jean-Marc Salomon de 600 mm, Þ Buthiers (Seineet-Marne), l'amas globulaire d'Hercule (M 13) apparaÍt de faÃon Èvidente en 30 Þ 40 ms de pose. Mais si on cherche de la rÈsolution, la focale d'origine n'est pas suffisante. Avec ses pixels de 10 µm de cÒtÈ, la camÈra est ÈchantillonnÈe (1) Þ raison d'une portion de ciel de 1" d'arc par pixel (soit 1/45 du diamÕtre apparent de Jupiter). Sachant qu'en plaine, comme Þ Buthiers, il est rare d'avoir des images longue pose meilleures que 3" d'arc, cet Èchantillonnage convient parfaitement avec une CCD classique. Pour fixer les idÈes, la rÈsolution en ciel profond des images amateurs est gÈnÈralement comprise entre 3 et 4" d'arc. Entre 2 et 3" d'arc, on peut estimer que les conditions sont trÕs favorables. En dessous de 2" d'arc, elles sont exceptionnelles. Et presque personne ne parvient Þ passer sous la barre de la seconde d'arc. Pour obtenir des Ètoiles aussi fines que possible, nous avons donc montÈ une Barlow 2,5 â devant la camÈra afin de porter la focale du tÈlescope Þ 5 m. En conservant un court temps de pose de 40 ms, l'amas reste parfaitement visible, et sur certaines poses, les Ètoiles s'affinent Þ 1,2" d'arc sur les clichÈs bruts. Toute la difficultÈ consiste ensuite Þ sÈlectionner les meilleures images brutes et les additionner pour avoir l'Èquivalent d'une pose plus longue. Sur une addition simple, les dÈforma-

tions dans les images liÈes Þ la turbulence font perdre de la rÈsolution. L'idÈal est donc de dÈformer les images les unes par rapport aux autres afin de compenser ces dÈfauts. C'est exactement ce que font certains photographes avec leurs clichÈs bruts de la Lune. Plusieurs logiciels gratuits permettent de tels traitements ; citons Iris, Avistack et Registax. Nous avons obtenu au final une image avec une finesse de 1,8" d'arc sur l'addition de 117 poses. Un bon rÈsultat pour une chaude journÈe de juin. La stratÈgie est d'autant plus payante que le ciel est de qualitÈ, de la mÉme faÃon qu'une optique adaptative fonctionne mieux sous un ciel stable. Pour nous en convaincre, nous avons visÈ le centre de la nÈbuleuse d'Orion avec le tÈlescope de 1 m du Pic du Midi. Bien que la stabilitÈ du ciel n'Ètait pas optimale ce soir-lÞ pour le site, et que la nÈbuleuse n'Ètait alors qu'Þ 20° de hauteur, nous avons obtenu des images avec une finesse de 0,6" d'arc en combinant quelques dizaines de poses. Sur certaines images brutes, cette finesse des Ètoiles est comprise entre 0,3 et 0,4" d'arc ! En pose longue, il n'aurait pas ÈtÈ possible d'obtenir mieux que 1" d'arc dans les mÉmes conditions.

J.L.Dauvergne/C&E Photos

Reconnue d'utilitÈ publique

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