Les filtres

L’article Spectre EM présente la décomposition de la lumière sur la bande de longueurs d’ondes du domaine visible. Dans cette page nous verrons comment exploiter au mieux les caractéristiques d’émission de l’objet à observer, et réduire l’atténuation du signal causée par l’atmosphère ou par le capteur afin de restituer un maximum de détails.

Les filtres dédiés à l’observation du Soleil sont décrits dans un autre article. Pour l’observation visuelle de la Lune, je recommande de monter un filtre polarisant variable sur l’oculaire qui permet d’éviter d’être ébloui par la forte luminosité, même si cela n’est pas dangereux. De plus, correctement orienté ce filtre assombrit le bleu du ciel et augmente le contraste sur les astres observés au crépuscule.

1. Optimiser la sensibilité du capteur

Les nébuleuses émettent souvent en proche infrarouge, notamment sur les raies Ha de l’hydrogène (656,3 nm) et soufre II (double raie à 671.3 nm et 673.2 nm). Malheureusement, les capteurs APN standard comportent deux filtres qui coupent le rayonnement infrarouge vers 650 nm.

Il faut retirer un des deux filtres IR pour augmenter la sensibilité dans cette partie du spectre. En effet, le domaine de sensibilité intrinsèque des capteurs au Silicium va de 200 à 1200 nm environ. Cependant, un défiltrage total aurait des inconvénients notables, il faut donc l’éviter :

- Effets de halo et bruit de fond causés par un excès de rayonnement IR

- Plus grande sensibilité aux aberrations chromatiques des réfracteurs (lunettes) car la plage de longueurs d’onde est étendue

-  Balance des blancs fortement modifiée

-  Perte de l’autofocus.

Cette opération est délicate et doit être réalisé par un technicien averti (voir la page sur le capteur numérique).

Les caméras spécialisées pour l’astrophoto ne sont pas dotées de filtre ; afin d'avoir un rendu naturel des couleurs, il faut donc prévoir un filtre IR-cut en entrée qui bloque les longueurs d'ondes supérieures à 700 nm.

2. Accentuer les contrastes

Un filtre bloque une partie du rayonnement et réduit la luminosité de l’image. Cependant, il peut améliorer notablement la perception de détails fins sur des objets du système solaire (planètes, lune, soleil) et sur des objets du ciel profond (nébuleuses en particulier). En visuel, il faut un instrument d'un diamètre supérieur à 130 mm pour conserver une image suffisamment claire. Le capteur numérique permet de compenser la perte de luminosité en augmentant le temps de pose, et de rétablir en post-traitement une balance des couleurs naturelle.

Les filtres de couleur, peu onéreux, accentuent les contrastes sur les planètes :

En théorie un filtre coloré assombrit la couleur complémentaire du filtre (synthèse soustractive). Il faut donc choisir sur le cercle chromatique ci-dessus un filtre de couleur opposée à celle du détail que l’on veut accentuer. Ainsi, un filtre bleu fera bien ressortir les nébulosités sur Jupiter et la grande tache rouge, dans les tons jaune-orange. L'action des filtres colorés pour photographier la Lune et les planètes est résumée dans un tableau sur le site de Gilbert Javaux https://pgj.pagesperso-orange.fr/filtres.htm.

L’emploi successif de filtres R, V et B permet de recréer une image couleur avec un capteur noir et blanc (les caméras N/B sont en effet plus sensibles que les caméras couleur). Les filtres sont montés dans une roue à filtres pilotée par le PC qui gère la prise de vue. Cela permet de doser très précisément chaque couleur à l’assemblage. Ces couleurs sont ajoutées à une image de luminance en N&B, qui fournit les détails grâce à une exposition plus longue. Il faut mettre un filtre neutre (clair) dans la roue à filtres pour cette image afin de conserver la distance de mise au point car le foyer de l'instrument recule d'un tiers de l'épaisseur du filtre inséré dans le chemin optique.

3. Réduire le bruit et la dispersion

Le filtre le plus pénalisant reste l'atmosphère terrestre. Pour l'observation comme pour la photographie, il faut privilégier les heures où les astres sont au plus haut sur l'horizon (quand ils passent le méridien au sud de l'étoile polaire), les points d'observation élevés loin de la pollution lumineuse des villes, les conditions météo stables et sans nébulosité. Quand cela n'est pas possible, on peut cependant limiter les dégâts et sauver une soirée en procédant comme suit.

Les effets de la turbulence sont plus faibles aux grandes longueurs d’onde : même si la résolution optique est inférieure dans le rouge et l’infrarouge, en pratique l’image sera mieux définie dans cette partie du spectre quand le seeing n’est pas très bon. Un filtre rouge clair améliore en général la perception des détails sur les planètes.

Avec une caméra sensible dans l’IR, il peut être intéressant de réaliser des poses uniquement en infrarouge grâce à un filtre dédié à la bande 650-900 nm afin de créer l’image de luminance qui va  accentuer les détails de la photo en RVB. Cette technique est efficace pour la Lune et les planètes.

Quand les étoiles ou les planètes sont basses sur l’horizon, l’atmosphère se comporte comme un prisme et le disque lumineux de chaque objet est affecté de franges colorées, bleues en haut et rouges en bas. Ce phénomène est distinct des éventuelles aberrations chromatiques de l’instrument. On peut le corriger en post-traitement avec la création de 3 calques R, V, B qui seront fusionnés avec un léger décalage vertical. Une autre solution consiste à monter devant le capteur un correcteur de dispersion atmosphérique (ADC) : ce dispositif comporte deux prismes réglables qui rétablissent l'alignement des couleurs.

Pour le ciel profond, j’utilise un filtre CLS ou UHC qui coupe les bandes inférieures à 450 nm et 520-640 nm, lesquelles contiennent les principales raies des lampes au sodium (Na) et à mercure (Hg) de l’éclairage public. La raie Ha de l’Hydrogène est préservée, ces filtres sont efficaces sur les nébuleuses HII en visuel comme en photographie.

NB : L'airglow est un phénomène luminescent dans la haute atmosphère, qui produit un fond de ciel rémanent même en l'absence de toute pollution lumineuse. L'une des raies principales est à 558 nm.

L'emploi successif de filtres très sélectifs autour des raies Ha, SII et OIII (496 et 500,7 nm) permet d'assembler de superbes images des nébuleuses en émission, comme sur les télescopes professionnels. La pollution lumineuse est alors sans importance mais les images très sombres rendent le cadrage un peu délicat ; les temps de pose unitaires sont longs, de 4 à 10 mn, ce qui rend l’autoguidage indispensable. De plus, ces filtres sont chers (plusieurs centaines d'euros) mais le résultat est exceptionnel et récompense tous les efforts !

Pour les nébuleuses en émission, si le capteur est un APN ou une caméra couleur, je recommande d’utiliser un filtre bi-bande Ha-OIII du type Optolong L-extreme, ce qui simplifie la prise de vue :

Les fenêtres sont suffisamment étroites (7 nm) pour bien atténuer le bruit de fond ; les deux bandes peuvent être exploitées directement, ou bien séparées en pré-traitement grâce à un script dédié dans Siril qui produit une image noir et blanc du signal dans chacune des deux bandes.

Cela permet de réaliser une image en fausses couleurs « façon télescope Hubble » avec les images H, S, O (ou H, O, O) copiées respectivement sur les couches V, R, B dans Photoshop. Les contrastes sont plus marqués qu'avec une image RVB classique.

 La nébuleuse du sorcier NGC7380 en HOO

A noter : le filtre Optolong crée un léger halo autour des étoiles.

Pour améliorer le rendu des couleurs sur les galaxies et faire ressortir les nébuleuses internes, il est intéressant de réaliser une partie des poses avec un filtre Ha puis d'assembler au traitement cette couche avec l'image RVB.