Quelle est la bonne focale pour imager les planètes ?

Nos clients nous demandent fréquemment quelle est la meilleure focale pour imager les planètes. dans la suite de cet article, nous ne parlerons pas d'imagerie du ciel profond mais bien uniquement d'imagerie planétaire (et Lunaire)...

La longueur focale à utiliser pour imager les planètes dépend de l'instrument et de la caméra utilisés. Calculer la longueur focale "idéale" permet d'ajuster la focale de l'instrument à l'aide d'une lentille de Barlow afin d'obtenir la meilleure résolution possible, sans dépasser les limites optiques de l'instrument et de la caméra. Le but dans l'imagerie planétaire est de capturer le plus grand nombre possible d'images sur une durée la plus courte possible, avec le moins de bruit possible et la meilleure plage dynamique possible... Bref une mince affaire !!

Cette focale dépend à priori d'un grand nombre de facteurs (diamètre, type d'instrument, caméra, performances du capteur, taille des photosites de la caméra, etc...) mais une fois qu'on aura retourné tous les chiffres un peu dans tous les sens, on obtiendra une formule extrêmement simple.

Plutôt que d'utiliser des données compliquées, nous calculerons le rapport F/D idéal. Ce rapport F/D ou rapport d'ouverture est la division de la focale de l'instrument par son diamètre.

Par exemple une question fréquemment posée : avec mon télescope de Newton 200/1000 et ma caméra ASI224, quelle Barlow utiliser ??

Calculer le rapport F/D idéal d'un instrument et d'une caméra donnés permet de trouver immédiatement quelle Barlow utiliser et ce calcul est excessivement simple car il ne dépend plus du télescope mais uniquement de la caméra ! Pour déterminer ces facteurs (assez arbitrairement), nous nous sommes basés sur plusieurs calculs théoriques (résolution optique, diffraction...) et un grand nombre d'expérimentations et d'images réalisées par nos clients et des dizaines d'autres astronomes amateurs. Ces études conduisent à déterminer le meilleur rapport d'ouverture possible en obtenant la meilleure résolution et en évitant de faire "exploser" le bruit numérique lié à des poses photographiques courte et trop peu lumineuses (obligeant à monter le gain numérique et donc le bruit)... Précédemment, nous parlions de rapport F/D "idéal" mais en fait c'est un peu plus compliqué que cela et cette notion déplaisait à certains, aussi nous avons décidé de partir sur un principe de "bornes".

  • Le rapport F/D "mini" en imagerie planétaire est : F/D = 3,5 x taille des photosites de la caméra en micron.
  • Le rapport F/D "maxi" en imagerie planétaire est : F/D = 6 x taille des photosites de la caméra en micron

Les termes "mini" et "maxi" sont très arbitraires, simplement ils vous donnent une indication de rapport F/D minimum et maximum pour tous les types d'instruments et de caméras. Si vous êtes en-dessous : vous ne grossissez pas assez, si vous êtes au-dessus, vous grossissez trop ! C'est aussi simple que ça !

En fonction de la qualité du ciel (transparence, turbulence...), de votre altitude et de l'altitude de l'objet dans le ciel, et des qualités de votre caméra (certaines sont effectivement plus performantes que d'autres, ou moins bruitées), vous pourrez faire varier votre rapport F/D (en changeant de Barlow ou en agissant sur le tirage) entre ces deux "bornes".

Par exemple, pour une caméra ZWO ASI 462 (photosites 2,9 microns) le rapport F/D idéal pourra varier de (environ) F/10 à F/17. Vous pourrez donc faire évoluer le rapport F/D selon vos conditions du moment et selon l'objet entre ces deux valeurs.

Ces valeurs sont adaptées aux instruments les plus courants utilisés par les astronomes amateurs. On n'essaie pas ici de préconiser le rapport F/D pour le VLT ou autre télescope monstrueux... restons humbles ;-)

On en déduit rapidement que pour imager les planètes avec une ZWO ASI 462, le rapport F/D idéal devra être établi entre F/10 et F/17 :

  • Pour une solution d'imagerie Schmidt-Cassegrain (F/D=10) + caméra ZWO ASI 462 : on n'a pas besoin d'une Barlow ! Pour "pousser" davantage, on utilisera une barlow x2 avec un tirage moindre que celui préconisé par le constructeur (par exemple une VIP Baader avec seulement 45mm de tirage (par exemple VIP + ADC Pierro-Astro + tube allonge de 7mm + caméra (tirage interne 17,5mm)
  • Pour une solution d'imagerie Newton (F/D=5) + caméra ZWO ASI 462 : on a besoin d'une Barlow 2,7x APM qui nous donnera directement un F/D situé entre nos 2 bornes !

Ces valeurs sont-elle critiques ? Que faire si j'utilise un Mak déjà "fermé" avec un F/D 12 ou F/D 15 ?

Depuis plusieurs années déjà, on constate une amélioration très importante des performances des caméras avec une diminution drastique du bruit. On pourra donc tout à fait sur-échantillonner en utilisant une ASI 462 avec un Maksutov un peu trop "fermé". Néanmoins, comme nous l'avons calculé plus haut, un rapport F/D de 15 n'est pas une valeur trop importante ! Si vous comptez utiliser une Barlow avec votre Maksutov (pour augmenter la puissance d'un ADC ou réduire ses aberrations par exemple), une caméra avec des photosites de 5 micron ou plus sera cependant nécessaire.

Sur-échantillonner : est-ce une grave erreur ?

De nombreux essais et articles montrent que sur-échantillonner légèrement l'image n'est pas nécessairement une mauvaise chose, dés lors que la caméra ne perd pas en performances (capteur de qualité, grosse sensibilité, bruit faible...) et qu'on n'est pas obligé de "tirer" sur le gain numérique pour capturer la planète. L'utilisation des modes images avec une plage dynamique plus large (10 bits, 12 bits etc...) permet en outre d'optimiser la qualité d'image en permettant d'obtenir plus de dynamique y compris dans des conditions difficiles.

Conclusion

Le calcul ci-dessus est valable quelque soit l'instrument et ce, malgré le fait qu'on ne tienne pas compte de l'efficience du capteur ni de l'instrument. C'est avant tout un point de départ pour ne pas construire une solution photo qui ne fonctionnerait pas du tout (F/D 30 avec caméra dont les photosites ferait 2 microns par exemple)..

Il vous permet donc de constituer une chaine d'imagerie autour de laquelle vous pourrez faire des ajustements. Par exemple si le rapport F/D idéal est aux alentours de F/D10 vous pourrez tout à fait imager de F/8 à F/15 selon les performances de la caméra, la turbulence, la qualité du ciel et les nombreux autres facteurs améliorant ou dégradant les performances globales de votre solution d'imagerie.

Notez toutefois que dépasser cette plage de valeurs n'apportera pas plus de résolution à votre image car vous dépasserez le pouvoir de résolution de votre instrument détriment du bruit :-) Au contraire, "tirer" un peu moins sur l'optique pourra permettre des captures plus faciles et qualitatives dans des conditions difficiles de turbulence ou des poses ultra-courtes s'imposent.

Ici comme dans de nombreux domaines la réponse n'est pas triviale et doit nécessairement s'accompagner d'une partie expérimentale, la théorie n'étant là que pour guider dans les grandes lignes le choix des matériels et des assemblages.