Rapport F/D en astrophoto ?

[Obee]

Bien le bonjour à vous,

 

Une question me reste en travers de la gorge depuis un bon moment et remet en question tout ce que je crois comprendre de l'utilité de tel ou tel tube en astrophotographie. En photo il est d'usage de dire que plus un objectif/tube est ouvert (rapport F/D le plus faible possible) plus il est lumineux, et moins longs seront les temps de poses pour arriver à un résultat équivalent à un objectif/tube moins ouvert. Cette affirmation m'indique que ma compréhension des caractéristiques d'un tube (et de l'astrophotographie en général) est fausse ou incomplète, puisque jusqu'ici j'ai toujours pensé que le diamètre du miroir primaire définissait le pouvoir collecteur de lumière du tube, et la focale son champs de vision/grossissement. Partant de là la règle citée plus haut semble fausse, puisqu'un tube 200/800 (F/D 4) collecte autant de lumière qu'un 200/1000 (F/D 5) étant donné que leur miroir primaire sont identiques, c'est d'ailleurs en accord avec les infos fournies par différents sites de vente qui indiquent un pouvoir collecteur de lumière équivalent pour ces deux tubes, mais précisent également que le 200/800 est optimisé pour la photo de par son faible rapport F/D. La question est donc la suivante, un tube 200/800 obtient t-il réellement plus de signal qu'un 200/1000 à temps de pose équivalent, et si oui, pourquoi ?

 

J'ai étais tenté de penser que la réponse pouvait venir du côté du champs de vision étant donné que pour moi c'est la seule différence notable entre ces deux modèles, en partant du principe que plus le champs de vision est large, plus le tube peut potentiellement capter de la lumière émise par des objets qui se trouveraient hors champs sur le 200/1000, mais ça me semble absurde de raisonner de cette façon puisque très souvent en astrophoto le signal qui nous intéresse est celui de la cible au centre du champs de vision. A diamètre équivalent le temps de pose nécessaire pour obtenir un beau cliché d'une même cible devrait donc théoriquement être identique quelque soit le rapport F/D du tube, seul le champs de vision/grossissement de ladite cible varierait.. 

 

Je suis certain qu'il me manque un bout de l'équation, un phénomène optique peut être évident qui m’échappe, et ça me pose problème lorsque j'essais de définir le setup le plus adapté à tel ou tel type d'utilisation en CP. Pour du ciel profond la réponse qui revient le plus souvent est bien évidemment le diamètre du primaire, mais si on prend en compte cette règle du rapport F/D, que doit on privilégier pour viser des cibles telles qu'M57, qui demandent à la fois un bon pouvoir collecteur de lumière et une grosse focale du fait de leur petite taille apparente ?

 

Pour finir, une petite citation de l'article de Newton qui illustre parfaitement l'incompréhension à laquelle je fais face dans le cadre de la photo

 

Citation

2.1.3 Le rapport Focale/Diamètre : F/D

Le rapport F/D est le rapport entre la focale et le diamètre de l’instrument.

Un instrument de 200 / 1000 a un rapport F/D égal à 5.

 

En observation visuelle, ce rapport n’a pas d’influence sur la luminosité d’un instrument. Il est faux de dire qu’un instrument à F/D de 5 sera plus lumineux qu’un F/D de 10. Un tube de 200/2000 sera aussi lumineux qu’un tube de 200/1000.

De même, un 200/2000 (à F/D de 10) sera plus lumineux en visuel qu’un 80/400 (à F/D de 5) car c’est le diamètre de l’instrument qui détermine sa luminosité en observation visuelle.

 

Le rapport F/D n’est pas important pour déterminer la luminosité d’un instrument en observation visuelle. Il l’est cependant en photographie.

 

Modifié 17 avril 2018 par Obee

[Guilaume]

Bonjour, 

Prends le pb à l'envers: à une focale de 800mm, un tube de 200mm captera plus de lumière qu'un tube de diamètre moins important. Du coup un tube de 800mm de focale et de 200mm de diamètre sera optimisé pour la photo par rapport à un tube de 800mm de focale et de moindre diamètre tout comme un tube de 1000mm de focale et de 250mm de diamètre sera optimisé / à un tube de 200mm.

[Toutiet]

Si tu as pratiqué ou pratique la photographie, tu dois savoir qu'un objectif ouvert à 8 (F/D = 8) exige un temps de pose deux fois plus grand que s'il est ouvert à 5,6 (à sensibilité de capteur identique). Et quatre fois plus grand s'il est ouvert à 4. Il en est de même pour un objectif astronomique. 

 

Attention, cela s'entend pour des objets à surface étendue (la Lune par exemple). En effet, à diamètre constant, mais à distance focale double, le rapport F/D aura effectivement doublé, nécessitant un temps de pose quadruple. Ceci est tout à fait cohérent puisque, à focale double, l'image de l'objet étendu sera deux fois plus grande et sa surface quatre fois plus grande, donc quatre fois moins lumineuse. Conséquence : le temps de pose devra donc être multiplié par quatre.

 

Pour des objets ponctuels (étoiles), il en va autrement, et leur luminosité visuelle apparente n'est fonction que du diamètre de l'objectif, la lumière étant toujours concentrée en un seul point. Lorsque le diamètre de l'instrument est multiplié par deux, la luminosité de l'étoile est bien multipliée par quatre. Mais, à diamètre constant, la luminosité apparente de l'étoile est indépendante de la distance focale de l'objectif.

Modifié 17 avril 2018 par Toutiet

[jgricourt]

Beaucoup s'en réfèrent à la relation entre l'ouverture et le temps pause en photo or en faisant ça on n'explique toujours pas ce qui se passe vraiment par cette formule toute faite qui est pourtant le résultat d'un calcul. Lorsque ta focale augmente (le diamètre reste constant) l'image sur ton capteur est alors plus grande, c'est comme le beurre plus tu l'étales moins il semble y en avoir sur la biscotte  Donc dans ce cas l'illumination du capteur sera plus faible pour une focale plus grande et donc il faudra rallonger le temps de pause afin d'obtenir une image aussi lumineuse que pour une focale plus courte. Enfin  c'est la même chose avec le diamètre mais ça tout le monde le comprends facilement ...

[Toutiet]

Je pense avoir donné l'explication qu'il fallait et avoir été suffisamment clair...

[Obee]

Merci à vous pour ces réponses,

 

en soit en effet ce que vous m'expliquez là semble tout à fait logique mais je continu de m'interroger sur certaines infos que je trouve contradictoires, par exemple pourquoi dit-on donc que le rapport F/D n'a pas d'importance en visuel ? Si la luminosité d'un objet est plus "étalée" et faible à plus grande focale/diamètre constant, un observateur ne devrait-il donc pas lui aussi mieux distinguer les objets peu lumineux sur un 200/800 que sur un 200/1600 par exemple, bien que visuellement plus petits ? A moins que ce gain existe bel et bien en visuel également mais sois négligeable en raison des médiocres performances de nos petits yeux

Modifié 17 avril 2018 par Obee

[Guilaume]

Parce qu'en visuel, la focale de l'oculaire deplace le pb. Un 8mm sur un 200/800 te donnera la même chose qu'un 16mm sur un 200/1600. Par contre un 8mm sur un 200/1600 te donnera une image plus sombre.

[Obee]

.... Bien vu  

 

c'est tellement évident que je suis allé me chercher des problèmes tout seul, merci pour vos réponses !

[Toutiet]

Comme je l'ai expliqué, le rapport F/D n'a pas d'influence en visuel sur DES OBJETS PONCTUELS. Sur des objets étendus, si

['Bruno]

Pour moi, la réponse à la question de départ doit parler des pixels (et non du champ). Donc je reprends à zéro de façon plus détaillée.

 

1) L'astrophoto

 

Le télescope est muni d'un appareil ayant un capteur numérique dont les pixels ont une certaine taille (en microns). Je l'utilise avec un télescope de 200/1000 (F/D = 5) et je pointe une nébuleuse. Chaque pixel du capteur reçoit la lumière provenant d'une minuscule zone de la nébuleuse, une zone de quelques secondes d'arc, disons de 2×2" (c'est pour l'exemple). C'est ce qu'on appelle l'échantillonnage.

 

Maintenant, j'utilise le même capteur numérique, mais avec un télescope de 200/2000 : il a le même diamètre, mais un F/D double, donc une focale double. Comme la focale est deux fois plus longue, chaque pixel représente cette fois une zone de 1×1" sur le ciel (l'échantillonnage diminue). Cette zone est 4 fois plus petite en surface, elle correspond à une portion 4 fois plus petite de la nébuleuse, donc chaque pixel reçoit 4 fois moins de lumière qu'avec le 200/1000. Le télescope capte globalement la même quantité de lumière, mais celle-ci est distribuée dans des pixels plus petits, chacun d'eux en capte donc moins.

 

On comprend ainsi pourquoi, lorsque le F/D est multiplié par 2, les temps de poses doivent être multipliés par 4 (à diamètre et capteur donné).

 

Et si j'utilise un télescope de F/D = 5 (comme le premier), mais de plus grand diamètre ? Par exemple un 400/2000. Ce télescope a un diamètre double, donc capte 4 fois plus de lumière. Mais comme sa focale, elle aussi, est double, chaque pixel reçoit la lumière provenant d'une zone de la nébuleuse 4 fois plus  petite. L'un dans l'autre, ça se compense : sur l'image, la nébuleuse sera ni plus ni moins lumineuse avec le 200/1000 qu'avec le 400/2000 (par contre il est possible d'y gagner en résolution).

 

Cet exemple montre que, à capteur donné, c'est le F/D qui joue, pas le diamètre. Bien sûr, quand on augmente le diamètre, il faut changer de capteur, opter pour un capteur ayant des pixels plus gros.

 

D'ailleurs ce n'est pas le F/D qui intervient directement, mais l'échantillonnage. Simplement, comme en général on n'utilise qu'un seul appareil photo (ou une seule caméra CCD), on ne peut pas modifier l'échantillonnage. C'est parce que l'échantillonnage est imposé que du coup, indirectement, c'est le F/D qui joue.

 

Remarque : si on observe un astre qui rentre entièrement dans un pixel (mais normalement même les étoiles sont étalées sur plusieurs), ce raisonnement n'est plus valable. Avec des astres ponctuels, même en photo c'est le diamètre qui compte. (Si on diminue le F/D, on gagne sur les astres étendus, par exemple pour photographier la Boucle de Barnard il faut le plus court F/D possible, mais pas sur les étoiles, de plus on va perdre en résolution.)

 

2) L'observation visuelle

 

En observation visuelle, on choisit ses oculaires en fonction de son instrument, et ça change tout.

 

Revenons à l'imagerie et supposons qu'on puisse choisir la taille des pixels de son capteur. Dans ce cas, lorsqu'on décide d'utiliser un 200/2000, il suffira de choisir un capteur ayant des pixels deux fois plus grands (par exemple 10 µm au lieu de 5 µm) pour faire aussi bien que le 200/1000. L'image sera même parfaitement identique (si ce sont deux capteurs 3000×2000, l'un avec des pixels de 5 µm utilisé sur le 200/1000, l'autre avec des pixels de 10 µm utilisé avec le 200/1000, les images représenteront le même champ sur le ciel et auront la même détectivité). Lorsqu'on utilise le 400/2000, il suffira de choisir un capteur ayant des pixels deux fois plus grands (que celui du 200/1000) pour obtenir 4 fois plus de lumière par pixel. Bref, si on peut choisir la taille physique des pixels, alors la règle du F/D est fausse (normal, la vraie régle est celle de l'échantillonnage, et cette fois on peut le choisir), cette fois c'est la règle du diamètre qui s'applique (un 400 mm permet d'avoir 4 fois plus de lumière).

 

C'est exactement ce qui se passe en visuel : on choisit nos oculaires en fonction des caractéristiques du télescope et on dispose de plusieurs oculaires.

 

[Toutiet]

Pourquoi vouloir faire intervenir la nature du capteur dans la réponse à question posée...? Celui-ci n'a absolument rien à voir dans l'interrogation de notre ami Obee. C'est un problème général d'optique et de transposition à la photographie, quelle que soit la nature du capteur utilisé, qu'il soit numérique ou argentique. Pourquoi compliquer les choses inutilement ?

['Bruno]

Tu réponds à qui ?

 

(J'ai parlé de capteur numérique parce qu'aujourd'hui tous les capteurs sont numériques. Effectivement, avec l'argentique le raisonnement est le même, il suffit de remplacer les pixels par le grain, mais on ne va pas rentrer dans ces détails ! Bref, je ne vois pas où tu veux en venir et je ne sais pas si tu réagis à mon message.)

[jgricourt]

Bruno donne l'explication sous l'angle des capteurs numériques en expliquant qu'avec la focale on étale plus ou moins des "bouts" de ciel sur le pavage du capteur mais cela revient bien au même. En apparence les étoiles sont les seuls objets que l'on arrive pas à étaler mais ce n'est pas tout à fait vrai car selon le diamètre de l'instrument les étoiles forment de minuscules taches qui ont bien une dimension mesurable donnée initialement par le pouvoir séparateur de m'instrument ... mais comme le monde est imparfait la turbulence viendra encore gonfler les chiffres et au final il faudra bien adapter les pixels pour capturer correctement cette image ...  A minima les pixels devront être de dimension inférieure à : focale x dim. tache / 412, mais là je digresse ...

 

[sergio2bxl]

Il y a 3 heures, jgricourt a dit :

 En apparence les étoiles sont les seuls objets que l'on arrive pas à étaler mais ce n'est pas tout à fait vrai car selon le diamètre de l'instrument les étoiles forment de minuscules taches qui ont bien une dimension mesurable donnée initialement par le pouvoir séparateur de m'instrument

je ne pense pas qu'il s'agit dans ce cas là d'une résolution mais plutôt d'une aberration, aucun télescope amateur n'est capable de résoudre une étoile.

[jgricourt]

Bien sur il ne s'agit pas du disque de la surface de l'étoile mais de sa figure de diffraction dont la dimension n'est plus négligeable à partir d'un certain niveau de grossissement.

[Subwoof]

Sujet bien intéressant qui m'a permis de comprendre pas mal de choses.

Un grand merci aux participants de la discussion !