Caméra d'astronomie

Une caméra d'astronomie est une caméra (en fait un appareil photographique) qui a été spécialement étudiée pour cet usage.

Pourquoi spécifique ?

À l'exception du Soleil, de la Lune et de quelques étoiles brillantes, il est impossible d'utiliser une caméra numérique classique en raison des faibles flux lumineux. Afin de capter ces flux lumineux, il est nécessaire d'avoir un temps de pose long (temps minima admis : un quart d'heure en numérique, une heure en argentique). Or cela a deux conséquences importantes et non négligeables :

• en argentique, au-delà d'un certain temps le film perd de sa sensibilité ;
• en numérique, la chaleur entraine une augmentation du signal thermique qui vient perturber la prise de vue et ce d'autant plus que le temps de pose est important. Le capteur doit donc être refroidi.

De plus il faut un capteur de grande taille et surtout plus sensible, et ce dans d'autres longueurs d'ondes que la lumière visible. Or aucun capteur à usage courant (cinéma, photographie…) n'offre cette possibilité.

Si les deux technologies sont ici évoquées, il ne faut pas oublier les avantages et inconvénients de chacune en astrophotographie. De même, si le terme de CCD est davantage utilisé lorsqu'on parle des capteurs numériques dans ce domaine, c'est parce que les capteurs CMOS sont très loin d'offrir des performances de même niveau.

Le refroidissement du capteur

Il existe plusieurs façons de refroidir un capteur CCD, les techniques sont les suivantes :

• refroidissement thermoélectrique ;
• refroidissement liquide ;
• refroidissement mécanique ;
• refroidissement à glace sèche ;
• refroidissement cryogénique.

Ces techniques se classent en fonction de l'usage de la caméra. La caméra d'astronomie professionnelle, ayant un capteur de grande taille et donc un besoin de dissipation de la chaleur d'autant plus important, utilise surtout la technique cryogénique. Par contre, une caméra amateur utilisera surtout la technique thermoélectrique.

Dans toutes ces techniques il y a un point commun invariable : le capteur est relié au système de refroidissement par un élément thermoconducteur (en cuivre le plus souvent).

Le refroidissement thermoélectrique

Il s'agit du dispositif le moins coûteux et le plus utilisé sur les caméras d'amateurs. Il est basé sur l'effet Peltier. On utilise un ou plusieurs modules pour transférer la chaleur le plus loin possible du capteur et vers un radiateur de type solide/air. Celui-ci peut se voir très souvent adjoindre un ventilateur pour évacuer la chaleur.

Le refroidissement liquide

Ce dispositif est identique à celui du watercooling en informatique et fonctionne sur le même principe : un flux d'eau sert à évacuer la chaleur. Certaines caméras haut de gamme en sont pré-équipées et ont également un dispositif de refroidissement additionnel, le plus souvent thermoélectrique.

Le refroidissement mécanique

Ce dispositif utilise de l'air comprimé et ressemble physiquement au refroidissement liquide (la pompe étant remplacée par un compresseur). Il est hélas le moins efficace de tous et n'a jamais été très utilisé. D'autres gaz (azote, fréon entre autres) furent utilisés. Mais le refroidissement mécanique n'offre ni les performances, ni les faibles coûts des autres systèmes dans les usages professionnels. Ce dispositif est celui utilisé sur les réfrigérateurs et congélateurs à usage familial et industriel.

Le refroidissement à glace sèche

Celle-ci est la plus simple de toutes mais demande plus de main-d'œuvre (rechargement en glace et mise en pression). La glace sèche (dioxyde de carbone à l'état solide) est contenue dans un réservoir à l'arrière de la caméra. Pour refroidir la caméra, il faut presser la glace contre la partie du réservoir en contact avec le point chaud. Sous l'action de la chaleur la glace sèche retrouve son état gazeux. Pour compenser la perte dans le réservoir, celui-ci est muni d'un système de presse à vis afin de maintenir et compresser la glace sèche contre le point chaud.

Le refroidissement cryogénique

Proche du système mécanique, il est le plus rentable de tous. Il fonctionne à l'azote liquide et cela fait qu'il est le plus utilisé sur les caméras d'astronomie professionnelles.

Le capteur

Nous ne parlerons pas ici des types de capteurs mais de leurs caractéristiques.

En astronomie, les rayonnements infrarouges et ultraviolets contiennent des informations très utiles. Or aucun capteur normal ne permet leur mesure. Un autre point essentiel est la taille du capteur. Un capteur normal a une taille inférieure à 15 Mpixels alors qu'en astronomie la taille dépend de l'usage de la caméra.

On en arrive à des caméras de 100 Mpixels voir plus (360 sur la caméra MegaPrime du CFHT). Pour les raisons suivantes :

• de coût (un petit nombre de capteurs remplaçant un grand de même taille reviennent moins chers),
• de maintenance (remplacement d'un capteur défectueux),
• de réutilisation (un modèle développé pour une caméra peut être repris sur une autre),

on préfère diviser un grand capteur en un certain nombre de petits. Il suffit ensuite de les assembler. Or il se trouve que les capteurs normaux ne permettent pas cette utilisation : il faut que les zones recevant la lumière soient les plus proches les unes des autres (Comparez la première image de l'article CCD à celle de la mosaïque de la MegaPrime[1]).

Bibliographie

• (fr) Astronomie CCD (1989, ISBN 2950172113)
• (en) Ccd Astronomy: Construction and Use of an Astronomical Ccd Camera (1991, ISBN 0943396298)

Liens externes

• (en) [2] Caméra à refroidissement thermoélectrique
• (en) [3] Caméra à refroidissement thermoélectrique et pré-équipée pour le refroidissement liquide
• (en) [4] Page sur les instruments du Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) et notamment la MegaPrime[5] (Site officiel)

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