Tutoriel d’astrophotographie

L’astrophotographie est un passe-temps qui gagne rapidement en popularité grâce aux progrès rapides de la technologie des capteurs CMOS. Il y a plus de dix ans, le matériau d’enregistrement de la lumière utilisé en astrophotographie était principalement une émulsion chimique. Sa faible sensibilité rend très difficile l’enregistrement du signal faible de l’espace lointain. De plus, le manque de feedback en temps réel est une énorme source de frustration pour les débutants.

Tutoriel d’astrophotographie

Les dysfonctionnements, tels que le flou, ne peuvent se produire qu’après plusieurs nuits de dur labeur après le développement du film. Au milieu des années 1990, l’avènement des caméras CCD refroidies a apporté des solutions aux problèmes de sensibilité et de rétroaction en temps réel. Cependant, Leurs prix élevés et leurs zones de capteurs misérablement petites limitaient leurs utilisations à quelques types d’astrophotographie et à des astrophotographes très enthousiastes. Bien que les CCD aient révolutionné la recherche astronomique, cette technologie n’a jamais vraiment changé le paysage de l’astrophotographie amateur.

Le véritable tournant a eu lieu en 2002. Après que Fujifilm a annoncé son appareil photo reflex numérique FinePix S2Pro et montré les incroyables images astronomiques prises par cet appareil photo, les gens ont commencé à explorer sérieusement les reflex numériques pour l’astrophotographie. Les reflex numériques peuvent fournir des informations en temps réel, ce qui est très important pour les débutants. Ils ont des sensibilités pas bien pires que les CCD, et les reflex numériques avec de grands capteurs (APS-C) sont assez abordables aujourd’hui.

Grâce à mon travail, j’ai l’opportunité d’utiliser une large gamme d’instruments d’imagerie, des caméras CCD de plusieurs millions de dollars dans les grands télescopes professionnels aux caméras CCD et DSLR amateurs. Ma formation en recherche astronomique me fournit également des ensembles d’outils pour évaluer quantitativement les performances des capteurs et connaître leurs véritables limites. Cela aide non seulement mes recherches, mais aussi mon passe-temps de toute une vie, l’astrophotographie.

Côté amateur, j’utilise principalement des reflex numériques (Canon 5D Mark II et Nikon D800) pour ses performances élevées et ses prix abordables. Pour obtenir les meilleurs résultats d’astrophotographie, les filtres internes des reflex numériques sont modifiés pour avoir des performances plus élevées en rouge foncé, afin qu’ils puissent être plus efficaces pour enregistrer la lumière rouge de l’hydrogène gazeux ionisé dans l’univers. Hormis cette modification de filtre, les reflex numériques utilisés pour l’astrophotographie ne sont pas différents des reflex numériques que nous utilisons quotidiennement.

Une préoccupation très courante concernant l’utilisation des reflex numériques en astrophotographie est le bruit thermique généré par les capteurs. Les caméras CCD refroidies à -20 ou même -40 degrés C n’ont pas ces problèmes. Cependant, tous les capteurs CMOS produits au cours des cinq dernières années ont un très faible bruit thermique. Sous la même température du capteur, son bruit thermique est en fait beaucoup plus faible que les CCD courants des caméras astronomiques.

Un autre facteur important que beaucoup de gens négligent sont les sources de bruit autres que la chaleur au niveau du capteur, dont l’un est le bruit de photons généré par le ciel lui-même. Avec les derniers DLSR dans de nombreuses circonstances, le bruit des photons du ciel surcharge souvent le bruit thermique, rendant le refroidissement inutile. Seulement dans les endroits chauds et sombres (comme les déserts du sud-ouest des États-Unis)

<   C’est le paramètre d’imagerie que j’utilise souvent. Le reflex numérique est fixé à l’extrémité du télescope principal, qui agit comme un téléobjectif géant (1100 mm, f / 7,3). Il s’agit d’un réfracteur APO, avec une grande lentille de correction devant le plan focal pour corriger la courbure du champ et l’astigmatisme. Le champ corrigé est suffisamment grand pour couvrir un capteur au format 67. Le télescope repose sur une monture équatoriale, qui est entraînée par un moteur et peut suivre le mouvement est-ouest des étoiles dans le ciel pour permettre de longues expositions.

Au-dessus de la lunette principale se trouve une autre lunette plus petite avec une petite caméra CCD attachée. Cette petite lunette et ce système de caméra peuvent surveiller le suivi de la monture équatoriale lorsque la lunette principale prend des expositions. Il guidera automatiquement la monture pour corriger ses erreurs de suivi en temps réel. L’ensemble du système (monture équatoriale, DSLR et système de guidage) est contrôlé par un ordinateur portable.  C’est mon réglage lorsque je veux uniquement prendre des images grand angle. Cela ressemble plus à ce qu’un débutant peut porter. La caméra et l’objectif sont fixés à une monture équatoriale via une rotule. Pour les prises de vue grand angle, le suivi d’image n’a pas besoin d’être extrêmement précis, aucun système de guidage en temps réel n’est donc nécessaire. En règle générale, lorsque la distance focale est inférieure à 200 mm, il est relativement facile de prendre des photos à longue exposition sans utiliser une monture équatoriale sophistiquée et un système de guidage. Les choses commencent à devenir difficiles lorsque la distance focale est supérieure à 300 mm.

Procédure générale

Le flux de travail en astrophotographie est très différent de celui de la photographie à la lumière du jour. Parce que nos objectifs sont très faibles, nous devons exposer pendant quelques minutes, voire quelques heures, pour capter suffisamment de signal photographique de nos objectifs. Cependant, le fond du ciel est généralement si haut qu’il saturera l’image lorsque l’exposition est supérieure à 10 minutes environ (cela est particulièrement vrai sous un ciel légèrement pollué).

Donc, ce que nous faisons est de diviser la longue exposition en plusieurs plus courtes (quelques à 10 minutes) pour éviter la saturation, puis d’empiler (en moyenne) les images à courte exposition en post-traitement pour combiner leur signal. Cela donne un résultat équivalent à une très longue exposition.

Dans le télescope, une fois que la monture équatoriale est montée et alignée avec le Polaris, ce que nous faisons normalement, c’est d’abord utiliser une étoile brillante pour faire la mise au point. C’était une tâche très compliquée, mais maintenant c’est très facile avec la fonction d’affichage en direct du DSLR. Nous déplaçons ensuite notre télescope / objectif pour pointer vers notre cible. Normalement, nous pouvons voir notre constellation d’objectifs très facilement à travers le viseur de l’appareil photo si nous utilisons un objectif grand angle ou un téléobjectif court.

En revanche, si nous utilisons un long téléobjectif ou un télescope pour photographier des objets du ciel profond, les cibles sont souvent trop faibles pour être vues directement. Quelques courtes expositions de test à un ISO très élevé peuvent aider à vérifier notre cadrage. Une fois cela fait, nous prenons juste beaucoup de longues expositions via un ordinateur ou un déclencheur à minuterie. Comme mentionné ci-dessus, les temps d’exposition typiques varient de quelques à 10 minutes, en fonction de la vitesse de notre cible et de l’obscurité du ciel. Un ISO largement utilisé est 1600. Cependant, avec les reflex numériques récents équipés de capteurs Sony, il est possible d’utiliser 800 voire 400 ISO et d’obtenir de très bons résultats après le post-traitement. L’avantage des ISO inférieurs est, bien entendu, leur plage dynamique plus élevée. Inutile de dire que nous tournons toujours en RAW. en fonction de la vitesse de notre cible et de l’obscurité du ciel.

Un ISO largement utilisé est 1600. Cependant, avec les reflex numériques récents équipés de capteurs Sony, il est possible d’utiliser 800 voire 400 ISO et d’obtenir de très bons résultats après le post-traitement. L’avantage des ISO inférieurs est, bien entendu, leur plage dynamique plus élevée. Inutile de dire que nous tournons toujours en RAW. en fonction de la vitesse de notre cible et de l’obscurité du ciel. Un ISO largement utilisé est 1600. Cependant, avec les reflex numériques récents équipés de capteurs Sony, il est possible d’utiliser 800 voire 400 ISO et d’obtenir de très bons résultats après le post-traitement. L’avantage des ISO inférieurs est, bien entendu, leur plage dynamique plus élevée. Inutile de dire que nous tournons toujours en RAW.

En plus des expositions dans le ciel, nous prenons également de nombreuses images de «calibrage» pour supprimer les signaux indésirables du ciel, des optiques et de l’appareil photo. Par exemple, nous prenons des expositions sur des objets avec une luminosité uniforme (comme un ciel de jour ou crépusculaire sans nuages, ou un grand panneau de LED) par la suite. Ces images (appelées «champ plat») peuvent être utilisées pour corriger le vignettage de l’objectif / télescope dans les images du ciel afin de restaurer une luminosité uniforme de l’arrière-plan.

En début ou en fin de nuit, nous couvrons complètement l’objectif / télescope et prenons des poses «sombres» lorsque l’appareil photo est à la même température que celles prises dans le ciel. Ces images sombres peuvent être utilisées pour éliminer le signal thermique dans les images du ciel. C’est essentiellement la même chose que la réduction du bruit à longue exposition intégrée à l’appareil photo de la plupart des reflex numériques, mais nous le faisons manuellement pour éviter de perdre un temps précieux pendant la nuit. Nous prenons également des expositions extrêmement courtes (1/8000 s) lorsque l’objectif est entièrement couvert, pour tenir compte de tous les signaux que l’appareil photo génère lorsqu’il n’y a pas de lumière et qu’il n’y a pas non plus de temps pour que le signal thermique s’accumule.

Comme pour les expositions dans le ciel, nous prenons plusieurs expositions (quelques à plusieurs dizaines) plates, sombres et asymétriques et les moyennons pour réduire tout bruit aléatoire dans les images et améliorer la qualité du signal. Il existe de nombreux logiciels (tels que DeepSkyStacker, qui est gratuit) qui peuvent traiter les images du ciel, du champ plat, des images sombres et biaisées, et empilez les images calibrées dans le ciel pour former une image à plage dynamique très profonde, propre et élevée. Tout cela doit être fait à partir de fichiers RAW, car les images JPEG ne sont pas linéaires et ne permettent pas de supprimer précisément ces signaux indésirables.

 (a) est un fichier brut converti directement dans Photoshop et avec une certaine marge de contraste. Ici, nous voyons des indices de nébuleuses rouges dans l’image, mais la caractéristique la plus importante de cette image est le motif de vignettage causé par le télescope et la caméra. (b) est une image “à champ plat” prise avec le même télescope vers le ciel crépusculaire.

C’est une image qui ne contient que le motif de la vignette. Mathématiquement, nous divisons (a) par (b) pour éliminer le motif de vignettage et ce calcul est appelé «correction de champ plat». (c) est le résultat de ladite correction, en plus d’un fort contraste et d’un étirement de saturation. Nous pouvons voir que sans correction de champ plat, il n’y a aucun espoir d’extraire les nébuleuses faibles partout dans l’image de (a). Au fait, la correction du vignettage intégrée à la plupart des programmes de traitement d’images non astronomiques (comme Photoshop ou Lightroom) n’est pas assez précise pour l’astrophotographie, même si notre cible est dans la base de données du logiciel. C’est pourquoi nous devons effectuer nous-mêmes la correction de champ plat à l’aide d’un logiciel conçu pour l’astrophotographie.

Après un étalonnage de base et un empilement d’images, nous utilisons un logiciel comme Photoshop pour traiter les images empilées. En général, il faut une courbe très forte et un étirement de saturation pour faire ressortir les petits détails d’une image astronomique empilée. Cela nécessite également beaucoup de compétences et d’expérience pour y parvenir tout en conservant des couleurs précises et une apparence naturelle d’une image. C’est essentiellement comme traiter manuellement une image RAW à partir de zéro, sans compter sur aucun moteur de rendu. Il n’est pas rare que nous passions plus de temps à traiter une image qu’à son temps d’exposition, et le post-traitement est souvent ce qui sépare les astrophotographes de première classe de la moyenne.

Exemples à large champ

 Cette photo Orion est prise avec l’objectif Sigma 50 mm f / 1.4 Art et le Nikon D800. Il s’agit d’un composite de plus de 60 expositions de 4 minutes à 800 ISO et f / 3,2 à f / 4,0. Le temps d’exposition total de plus de 4 heures ici est assez extrême. Pour les plans de constellation comme celui-ci, cela ne prend généralement que 0,5 à 1,5 heure. Cependant, l’exposition extrêmement longue conduit ici à une meilleure qualité d’image et permet de détecter des nébuleuses très faibles autour d’Orion. Pour capturer efficacement les nébuleuses rouges d’Orion, un reflex numérique modifié est nécessaire. Cependant, avec un modèle non modifié, nous pouvons toujours obtenir la belle couleur des étoiles dans les constellations. Les constellations à champ large sont donc de bonnes cibles pour les débutants qui ne sont pas prêts à envoyer leurs caméras pour une intervention chirurgicale.  Cette image de la Voie lactée estivale est prise avec un télescope 500 mm f / 2.8 et le Canon 5D Mark II. C’est une mosaïque de 110 images, son champ de vision est donc comparable à celui d’un objectif 50 mm. Je suis un grand fan d’images en mosaïque. Je l’appelle souvent l’appareil photo grand format du pauvre homme. Un panorama de mosaïque fou comme celui-ci contient des détails riches qui dépassent de loin ce qui peut être capturé avec le dos numérique moyen format le plus sophistiqué. Le prix est qu’il faut beaucoup de temps pour prendre et traiter les images.  Ceci est une version agrandie de l’image d’Orion. Il montre le Grand Triangle d’Hiver et la Voie Lactée passant par le triangle. Pris avec Nikon 28-70mm f / 2.8Dà 50 mm f / 4 et Nikon D800. C’est une mosaïque de quatre images, donc le champ de vision est quatre fois plus grand qu’un champ de vision de 50 mm. Chacun des cadres mosaïques contient 16 expositions de 5 minutes à 400 ISO.  Il s’agit d’une mosaïque de deux images prises avec un objectif Mamiya 645 45 mm f / 2,8 à f / 4,0 et Canon 5D Mark II. La mosaïque de deux images permet de capturer non seulement la constellation du Cygne, mais aussi la Voie lactée à grande échelle. Chaque cadre de mosaïque individuel contient 16 expositions de 4 minutes à 1600 ISO. En post-traitement, j’ai appliqué une couche pour brouiller la lumière des étoiles brillantes afin que la forme de la constellation soit plus apparente. Le même effet peut être obtenu avec un filtre diffus devant l’objectif. Les filtres couramment utilisés à cet effet incluent Kenko Softon A et Cokin P830.

Exemples de Deep-Sky

 La galaxie d’Andromède (Meissier 31) est une cible qu’aucun astrophotographe n’a manqué. Ceci est pris par le télescope avec ma première configuration et le Canon 5D Mark II. C’est une mosaïque de deux cadres. Chaque image contient environ 40 expositions de 5 minutes à 1600 ISO. Les reflex numériques non modifiés peuvent prendre des photos décentes de cibles de galaxies comme celle-ci. Cependant, si nous regardons attentivement l’image, nous pouvons voir de nombreux petits objets rouges le long des bras en spirale de la galaxie d’Andromède. Ce sont les nébuleuses géantes à gaz qui contiennent de l’hydrogène ionisé. Pour capturer efficacement la lumière rouge de ces nébuleuses, un reflex numérique modifié est nécessaire.  La nébuleuse de la tête de cheval est située juste à côté de la ceinture d’Orion et fait partie de l’image d’Orion présentée ci-dessus. Il peut être vu à travers des télescopes de taille moyenne sous un ciel sombre. Cette image a pris plus de 4 heures d’exposition sur le Canon 5D Mark II sur le télescope depuis ma première configuration. La couleur rouge de l’image provient de l’hydrogène ionisé. Il nécessite un reflex numérique modifié pour enregistrer efficacement la lumière rouge.  La nébuleuse nord-américaine se trouve dans Cygnus et fait partie de l’image Cygnus ci-dessus. C’est une nébuleuse assez grande et s’intègre parfaitement dans le champ de vision d’un objectif 400 mm (FF). Cette image agrandie a été prise avec le télescope de ma première configuration et le Canon 5D Mark II. Il s’agit d’une mosaïque de 4 images, et l’exposition totale de chaque image est de 2,5 heures. La nébuleuse n’est pas complètement rouge. Il existe également des composants bleus intégrés dans la lumière rouge, qui provient de l’oxygène ionisé. Si un reflex numérique non modifié est utilisé, le voile apparaîtra violet ou rose.  Meissier 22 est un amas globulaire en Sagittaire. Il contient environ 300 000 étoiles. Il fait face à la Voie lactée estivale, il y a donc aussi de nombreuses étoiles en arrière-plan de cette image. Cette image est prise avec le télescope de ma première configuration et le Nikon D800. Le temps d’exposition total est de 1,5 heure. Pour le cluster lui-même, ce temps d’exposition est inutilement long, car le cluster est relativement lumineux. J’ai passé plus de temps dans ce domaine pour capturer le grand nombre d’étoiles de fond faibles appartenant à la Voie lactée. Les objectifs stellaires comme celui-ci ne nécessitent pas de reflex numérique modifié. Un non modifié peut tout aussi bien faire.  La galaxie Pinwheel (Meissier 101) est une galaxie proche et apparaît donc relativement grande dans le ciel par rapport à la plupart des autres galaxies. Cependant, il est encore très petit. Sa partie la plus brillante a une taille d’environ une demi-lune. Cette photo est prise avec le télescope de ma première configuration et le Canon 5D Mark II. Il est recadré et le champ de vision recadré équivaut à celui d’un objectif de 3000 mm. Contient un total de 8,5 heures d’expositions normales, plus 3 autres heures d’expositions sous un filtre alpha à hydrogène à bande étroite (656,3 nm). L’image du filtre à bande étroite vise à mettre en valeur les petites taches de nébuleuses rouges le long des bras en spirale. Malheureusement, ce n’est pas un moyen très efficace d’utiliser un reflex numérique, puisque seul un quart des pixels reçoivent activement des photons sous un tel filtre rouge profond. En arrière-plan de cette image, on peut voir de nombreux petits points jaunes. Ce sont de nombreuses galaxies très éloignées. Certaines galaxies sont si éloignées que le temps nécessaire à la lumière pour voyager de ces galaxies vers nous est plus grand que l’âge de notre Soleil.