LHIRES III
ET
APPAREILS PHOTOS NUMERIQUES

Cette page montre quelques exemples d'utilisation du spectrographe LHIRES III associé à un appareil photographique numérique de marque Canon.

LHIRES III est utilisé dans sa configuration la plus résolvante (réseau de 2400 traits/mm - pouvoir de résolution mesuré de 14500 avec une fente de 26 microns de large). LHIRES est disponible auprès de Shelyak instruments.

Le boîtier photo est un Canon EOS 350D dans lequel le filtre de rejection infrarouge d'origine a été retiré (il n'est remplacé par aucun autre filtre). De la sorte, la transmission de la raie Ha est maximisé (le filtre d'origine Canon absorbe considérablement les longueurs d'onde autour de 656 nm). Noter que pour ce qui concerne la région de la raie Ha, les résultats obtenus avec un appareil totalement dé-filtré et un appareil équipé du filtre de substitution Baader UV/IR sont tout à fait équivalents. L'échantillonnage spectral moyen est de 0,082 angstrom/pixels. La sensibilité est réglée à 400 ISO (sauf pour le spectre de la nébuleuse d'Orion, voir ci-dessous).

Le télescope est un Celestron 11 (0.28 m). L'observation est réalisée à Castanet-Tolosan (proche banlieue toulousaine).

Le Canon EOS 350D monté à l'arrière du spectrographe LHIRES III.

LA NEBULEUSE MESSIER 42

Le position de la fente d'entrée du spectrographe.

Pose de 300 secondes à 1600 ISO (c'est une erreur de manipulation, l'idéal pour optimiser le rapport signal sur bruit
était de travailler à 400 ISO dans le cas présent!). La raie verticale la plus intense est la raie Ha.
De part et d'autre, on trouve les deux raies interdites de l'azote ionisé une fois.
Les traces horizontales sont le spectres d'étoiles du champ (étoiles du Trapèze) qui se trouvaient dans l'axe de la fente.

 
En bleu, le spectre de Messier 42 au voisinage immédiat de la raie rouge de l'hydrogène, extrait de l'image précédente.
Le spectre tracé en rouge montre les raies de calibration de la lampe néon interne du spectrographe.
Dans le champ couvert par le capteur du Canon 350D, et en centrant la raie Ha, nous disposons de 3 raies de calibrations.

FLAT-FIELD

La flat-field est obtenu en éclairant l'entrée du télescope avec un spot halogène et en interposant sur la pupille d'entrée un feuille de papier calque faisant office de diffuseur. Le temps de pose pour acquérir un flat-field avec une dynamique satisfaisante est de l'ordre de 90 secondes. On a composité 10 flat-field unitaires pour réduire le bruit.

Le flat-field au voisinage de la raie Ha. Outre la présence de quelques poussières sur la face d'entrée du capteur,
on note aussi la présence de structures verticales périodiques.

Coupe photométrique du flat-field (à partir de la seule couche rouge dans l'image couleur). Les franges sont
bien visibles (notamment du coté infra-rouge). L'origine des franges n'est pas totalement
éclaircie (réseau à diffraction ?). Cependant ces franges sont parfaitement localisée en longueur d'onde
qui nous permettra, nous allons le voir, de corriger les spectres de manière satisfaisante.

L'aspect du flat-field en augmentant le contraste.

L'ETOILE REGULUS

En rouge, le spectre de l'étoile Régulus de niveau 1b. Seule la calibration spectrale est appliquée.
Les franges relevées dans l'image flat-field sont aussi bien visibles dans le spectre de l'étoile.
En bleu, le spectre après le traitement de niveau 2a : la réponse instrumentale est corrigée
et les raies telluriques ont été retiré (traitement VisualSpec).
Les franges sont gommées avec une bonne précision après traitement.

L'ETOILE RIGEL
 
Le graphique montre la quasi-totalité du spectre acquis. En rouge, le spectre seulement calibré
en longueur d'onde. En bleu, le spectre rectifié de la réponse instrumentale et après retrait des raies telluriques.

Comparaison du spectre de Rigel à 24 heures d'intervalle. En rouge, un spectre acquis avec une
caméra Audine équipée d'un capteur CCD KAF-0402ME (30 minutes de pose). En bleu, un spectre acquis
avec un Canon 350D modifié (50 minutes de pose). Le rapport signal sur bruit est ici à peine inférieur dans le cas du spectre
350D en regard de celui observé dans le spectre Audine. On note les évolutions impressionnantes du spectre de cette
étoile supergéante sur un intervalle de temps très bref.

L'ETOILE Zeta TAU


Le spectre en deux dimensions de l'étoile Zeta Taureau au voisinage de la raie Ha (la raie large en émission au centre).
Les couleurs sont celles réellement délivrées par le Canon 350D. Dans cette région du spectre le rouge domaine bien sur très largement.

Une portion du spectre précédent à l'échelle 100%. L'échantilllonnage spectral est de 0.082 angstroms/pixel.
Compositage de 12 poses de 5 minutes.

Le profil spectral de Zeta Tau.
Le profil spectral est extrait en utilisant uniquement l'information du canal rouge de la matrice CFA
(damier de pixels rouges, verts et bleus qui caractérisent le détecteur de la plupart des appareils photos
numériques - cliquer ici pour un commentaire sur le mélange optimal des couches couleurs).

Comparaison d'un spectre Audine KAF-0402ME et d'un spectre Canon 350D à 24 heures d'intervalles.
L'évolution de l'émission Ha est sensible et cohérente pour cette étoile en un tel laps de temps.
On remarque que le reflex Canon délivre un spectre d'une qualité spectrophotométrique tout à fait similaire à
une caméra CCD astronomique refroidie à capteur monochrome.

L'ETOILE ARCTURUS

Détail de la zone centrale du spectre (ici, seule la couche rouge est pérsentée).

Le profil spectral de Arcturus de niveau 2a (27 minutes de pose cumulée).

L'ETOILE HD50820

L'étoile HD50820 est notoirement plus faible (magnitude 6.3). C'est une cible du satellite COROT.
Pose cumulée de 45 minutes avec un seeing médiocre.

Comparaison d'un spectre du même objet réalisé avec un caméra Audine le 18 janvier 2007 et avec un boitier
numérique Canon EOS 350D le 29 janvier 2007. La consistance des mesures est très bonne. Le niveau bruit
dans le spectre réalisé avec le 350D est raisonnablement bas et autorise des observations de
précision en haute résolution sur des objets relativement faibles. L'évolution notée dans le flanc
bleu de l'étoile est s'en doute une réalité (le phénomène a déjà été relevé sur des séquences de spectres Audine - voir ici).

 L'ETOILE VEGA

 
Le spectre de l'étoile Vega est observé dans le rouge profond, vers 6870 A. Le spectre ci-dessus, posé 180 secondes,
montre les résonances de la molécule O2 de l'atmosphère terrestre. Cette observation est possible car on a utilisé
un boîtier reflex totalement dé-filtré, qui permet d'enregistrer le spectre dans l'infrarouge.
On peut souligner que la raie du lithium à 6708 A est accessible dans cette configuration (voir l'importance astrophysique ici).

SYNTHESE

L'intéret d'employer un boîtier reflex numérique en spectrographie, et notamment avec le spectrographe LHIRES III, n'est pas une réelle surprise. Du reste, la conception de LHIRES III a été pensé dans la perspective d'être associé à des appareils photos numériques. La capacité d'acquérir des spectres avec un boîtier numérique standard (canon EOS 5D) a été déjà montrée.

Ici nous nous sommes attaché à l'observation de la raie Ha à 6563 A. Un boîtier reflex modifié est alors nécessaire pour conserver une sensibilité dans cette partie du spectre. L'opération est très courante aujourd'hui. On peut choisir de ne pas remplacer le filtre de rejection d'origine. Il est possible aussi d'adopter un filtre de coupure de l'infrarouge, mais qui laisse passer la raie Ha. C'est le cas avec le filtre Baader UV/VIS. Ce filtre est très transparent au niveau de cette raie, aussi qu'on l'utilise ou pas, le résultat sera le même (seul le tirage optique est légèrement modifié).

Il faut se rappeler qu'un boîtier entièrement dé-filtré permet d'observer loin dans l'infrarouge. La performance peu être excellente même car au delà de 750 nanomètre, les filtres colorés de la matrice de Bayer deviennent transparent. Le capteur couleur se transforme alors en un capteur noir et blanc redoutablement efficace !

Les présentes observations confirment qu'il est possible de capturer de bons spectres avec un appareil photo numérique. La qualité spectrophotométrique est comparable à celle d'une caméra CCD. On a montré aussi qu'avec un peu de méthode, il est possible de ce tirer de situations difficiles, telle qu'un flat-field perturbé par des franges d'interférences. Le rendement quantique du boîtier reflex demeure plus faible que celui d'un capteur CCD monochrome, il faudra donc poser plus longtemps avec le premier qu'avec le second. L'écart s'avère tout de même moins dramatique que ne le laisse entendre l'organisation bien particulière des pixels dans le détecteur d'un boîtier reflex (la très grande majorité des appareils photos numériques font le distinguo des couleurs rouge, verte et bleu en les enregistrant avec des pixels distincts).

Ajoutons pour finir, que l'usage d'un boîtier reflex en spectrographie ce révèle agréable, formateur et même ludique (on voit les spectres en vraies couleurs). L'intéractivité est bonne si l'appareil est commandé par l'ordinateur. Le traitement des spectre n'est pas bien plus compliqué, mais on regrette d'avoir à manipuler des fichiers aussi volumineux alors que l'information se limite à un trait de lumière. Enfin, un boîtier tel que le 350D est très léger, ce qui facilite l'usage du spectrographe sur un petit télescope.

L'utilisation d'un boîtier reflex est au final une option très crédible sur le spectrographe LHIRES III, même pour des travaux avancés.

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