Juin 2000

François Cochard

Des PLU en cours de nuit...

Ou comment s'affranchir des PLU crépusculaires !

Introduction

Une bonne image CCD se doit d'être prétraitée, c'est à dire corrigée des défauts systématiques qui l'entachent, du fait des défauts de l'instrumentation (défauts du CCD, vignettage, poussières, etc...). La clef du prétraitement, c'est l'image de PLU (ou Flat Field). L'idée est de faire une image d'un champ de lumière uniforme, afin de mesurer les fameux défauts. Cette image servira encsuite à corriger les images brutes. Si j'en crois la littérature (et beaucoup d'échanges sur les listes Aude et Audine), la PLU idéale est prise sur un ciel crépusculaire, assez faible pour ne pas saturer l'image du CCD, et assez lumineux pour ne pas encore voir d'étoiles (ce n'est alors plus un champ uniforme) et remplir le CCD aux deux tiers environ de sa dynamique en quelques secondes.

Comme beaucoup, je suis confronté à un problème de réalisation pratique de ces PLU crépusculaires. En effet, un bon flat se fait après la focalisation de l'instrument. Or la focalisation doit se faire sur des étoiles... absentes du ciel crépusculaires ! On est en plein cercle vicieux. En outre, la période de crépuscule est courte, et il ne faut pas se rater en début de nuit. Sans compter que cette méthode interdit le démontage de la caméra pour toute la nuit...

Plusieurs approches alternatives existent, qui ont toutes leurs avantages et leurs inconvénients:

- Disposer d'un observatoire, pour ne pas perdre la mise au point d'un soir sur l'autre. Ce n'est hélas pas mon cas...

- Utiliser l'ensemble des images de la nuit, et en faire une pile médiane pour éliminer toutes les étoiles. L'avantage, c'est qu'on ne perd pas de temps à faire des images de PLU. Le principal défaut est que le niveau moyen résultant est généralement faible.

- Faire une mise au point approximative (en repérant la position de la molette de mise au point). Ca a le mérite de la simplicité, mais les essais réalisés (voir plus loin) montrent que la mise au point a un effet mesurable, et non négligeable.

- Utiliser un mur blanc éclairé en cours de nuit, en guise de champ uniforme. Un des problèmes lié à cette méthode est que les temps de pose nécessaires pour remplir le CCD aux deux tiers de sa dynamique sont courts (et peuvent poser un problème d'obturation).

Depuis quelques temps, j'ai utilisé une autre méthode de PLU nocturne, utilisant un bloc de mousse au bout du par-buée, et un éclairage externe. Je n'ai rien inventé (mais n'ai pu retrouver le génial inventeur !), mais propose dans le paragraphe suivant une description précise de cette méthode. Je présente ensuite une étude comparative entre ces PLU nocturnes et des PLU crépusculaires.

PLU en cours de nuit

J'ai réalisé un pare-bueé de fortune, monté sur le tube du télescope (C8, de 200mm). J'ai ensuite découpé un morceau de mousse (genre mousse à matelas, de 5 cm d'épaisseur environ) de telle manière qu'il puisse se monter en bout du pare-buée. Ce morceau de mousse n'est pas totalement opaque, et a le mérite, quand il est éclairée de l'extérieur, d'offrir un champ de lumière à peu près uniforme.

Il se trouve que j'observe dans mon jardin, et j'ai utilisé l'éclairage du garage comme source de lumière. Il se trouve aussi que mon Audine dispose d'un obturateur, ce qui apporte un confort énorme dans ce cas.

Après avoir pris des images, j'installe le morceau de mousse au bout du pare-buée (en veillant à ce que le tube soit horizontal, pour éviter de déposer plein de poussières sur la lame du tube). Je dirige le télescope approximativement vers la lumière (je dis approximativement, parce que j'ai évité de viser directement la lumière; cela risquerait de se voir sur l'image). Je fais une série de 19 poses de 5 secondes (Ce temps de pose dépend évidemment de la configuration... Pour moi, ce temps conduit à un niveau moyen de 27000 ADU).

Par la suite, le traitement appliqué à cette série d'images est classique: Retrait de l'offset, mise à niveau de toutes les images (à peine nécessaire, mais soyons puriste...), puis pile médiane.

A titre d'exemple, voici une image de flat réalisée par cette méthode, le 1er juin 2000.

Il y a BEAUCOUP de poussières sur le CCD. Ce n'est bien sûr pas intentionnel, ni habituel (j'ai dû souffler un peu fort en refermant la caméra...), mais en l'occurence, ça permet de mettre certains défauts en évidence dans les lignes qui suivent.

Evaluation de la validité de cette méthode

Voulant m'assurer de la validité de la méthode, j'ai fait une série d'essais dans la nuit du 1er juin 2000. Pour cela, j'ai fait 10 séries successives de 19 images dans les conditions suivantes:

Pour chaque série de 19 images, j'ai fait un pile médiane après retrait de l'offset, et mise à niveau de toutes les images.

La caméra était refroidie à -15°C pendant toute la soirée. Toutes les images sont prises avec un réducteur de focale (F/D 6.3), et en binning 2*2.

Les séries A à E sont des flats crépusculaires, avec une miseau point approximative (en repérant la position de la molette de mise au point). Pour les séries G et H (nocturnes), j'ai conservé la même mise au point approximative. Je n'ai fait la mise au point sur les étoiles que pour la série H (et conservée pour les suivantes).

A plusieurs reprises (séries B/C, D/E, F/G, H/I), j'ai fait successivement deux séries identiques, afin d'évaluer le bruit intrinsèque des images de PLU (mesurable par soustraction de deux images), et la reproductibilité de la méthode.

Enfin, j'ai voulu évaluer, pour les flats nocturnes, le besoin de déplacer la mousse et le télescope entre chaque pose. C'est la raison de la série J.

Analyse de ces images

La série A est inexploitable, du fait de la trop courte durée d'exposition. En effet, je dispose d'un obturateur simple rideau dont l'effet est largement visible pour des poses inférieures à O.3s. De fait, je sais maintenant (C'est un effet secondaire de cette série d'images, sur laquelle je ne m'attarde pas ici) que seules des poses supérieures à 1 seconde sont tout à fait insensibles à l'effet de l'obturateur.

1 - Reproductibilité et bruit des flats crépusculaires:

Si je compare les images C et D (par soustraction des images C et D après mise au niveau de 11987), je constate un léger gradient dans l'image résultante (effet de l'obturateur à des durées de pose trop courtes), et un bruit (fonction BGnoise de Pisco) de 24 ADU. Soit un bruit intrinsèque de l'image de 4.9 ADU:

Si je compare les images D et E de la même manière, j'obtiens l'image suivante:

Cette fois, il n'y a plus de gradient dans l'image (au-delà de 1s de temps de pose, les effets néfastes de l'obturation ne se font plus sentir), mais en revanche, on voit nettement des traces d'étoiles non éliminées. Il aurait fallu que je déplace le télescope entre chaque image pour éliminer ces traces par effet de la pile médiane. Le niveau de bruit de l'image est identique à la précédente.

Conclusion: La reproductibilité des flats crépusculaires est excellente (niveau de bruit de 5 ADU environ, sur une image de niveau moyen 12000), mais il faut soigner la mise en oeuvre: Pas de pose trop courte (inférieure à 1 seconde) et bouger le télescope entre chaque pose pour éliminer les étoiles qui ne manquent pas d'apparaître.

2 - Reproductibilité et bruit des flats nocturnes

Je refais exactement le même type de comparaison entre des séries d'images comparables réalisées avec le bloc de mousse au cours de la nuit (séries F et G, puis séries H et I).

Comparaison des images F et G (prises dans des conditions identiques). Le niveau moyen des deux images est ramené à 16457:

Aucun défaut n'est visible à l'oeil (ni gradient, ni étoiles, bien sûr). Le niveau de bruit (BGnoise) est de 28 (soit un bruit intrinsèque de chaque image de 5.3 ADU).

Le résultat est tout à fait identique pour la comparaison entre les images H et I.

Conclusion: Même si le niveau de bruit est légèrement supérieur (5.3 contre 4.9 ADU), la méthode de PLU nocturnes est tout à fait reproductible, et moins sensible aux conditions de réalisation: Poses constantes de 5 secondes, absence d'étoiles, etc...

3 - A-t-on besoin de bouger le bloc de mousse et le télescope entre chaque poose d'un flat nocturne ?

Afin de rendre la méthode de flat nocturne la plus efficace possible, j'ai voulu comparer une série d'images faite sans rien changer entre les images et une autre série faite en déplaçant le télescope entre deux images, et en retirant puis replaçant la mousse différemment (cette seconde série est évidemment plus contraigante à mettre en oeuvre). J'ai donc comparé les séries d'images H et J, qui correspondent à ces deux situations. Voici le résultat de la soustraction des deux images:

En cherchant bien, on voit une trace de la poussière la plus marquée, ainsi qu'un très léger gradient. Ceci étant, je considère que ces légers défauts sont négligeables devant la difficulté supplémentaire de mise en oeuvre des images où il faut déplacer la mousse entre chaque image...

4 - Comparaison entre PLU crépusuculaire et PLU nocturne

les séries D et F sont théoriquement identiques, puisque prises avec la même focalisation (je rappelle que dans les deux cas, la mise au point était approximative, puisque n'ayant pas encore était faite sur les étoiles). La seule différence est donc que la série D était faite au crépuscule, et la série F au cours de la nuit. Je compare donc ces deux images par la même méthode (mise au niveau 11987, puis soustraction):

Il y a beaucoup de choses sur cette image ! Le premier commentaire est que l'on ne peut pas affirmer froidement que les PLU crépusculaire et nocturne sont identiques, puisque cette image n'est pas uniforme. On y voit des traces résultantes des poussières. On y voit aussi un résidu de vignettage.

L'amplitude des défauts est certes significative (De l'ordre de 400 ADU autour de la poussière la plus marquée), mais est nettement plus faible (environ 3 fois) que celle du même défaut sur une PLU originale. En outre, cette erreur correspond à 3% environ du niveau moyen de la PLU.

Il y a pluieurs explications possibles pour justifier cette différences. En voici quelques-unes, parmi lesquelles je ne sais pas trancher !

> Optiquement, les deux configurations ne sont pas identiques, et peuvent conduire à des images différentes.

> La mousse que j'utilise a une réponse spectrale non négligeable (Pas facile de trouver un mousse avec une réponse spectrale constante (:>).

> Le fait que mon pare-buée soit bleu et pas totalement opaque peut aussi influencer l'image ?

Bref, toute explication (surtout celles conduisant à une amélioration de la méthode) est bienvenue !

5 - Influence de la focalisation sur les PLU.

Au début de cette étude, j'ai indiqué qu'une des principale faiblesse de la méthode des PLU crépusculaires est de nécessiter la mise au point sur les étoiles alors que ces étoiles ne sont pas encore visibles. Pour évaluer l'importance de ce problème, j'ai voulu comparer des PLU réaisées avec un point approximatif et d'autres avec une focalisation correcte sur les étoiles. Pour cela, j'ai comparé les séries F et H, qui répondent à ces conditions: F a été faite avec un point approximatif, alors que H a été faite après la mise au point sur les étoiles. Ces deux séries ont été faites au cours de la nuit, et tout ce qui les différencie est donc la mise au point. Voici le résultat de la soustraction:

Toutes les petites poussières (celles qui ne sont pas influencées par la mise au point, en particulier celles collées sur la vitre du CCD) ont disparues. Ne sont visibles que les grosses poussières. On constate aussi un gradient dans l'image pour lequel je n'ai pas d'explication... Cependant, le changement de luminosité au niveau des poussières, du fait de la mise au point est faible: de l'ordre de 100 ADU (Sur un niveau moyen de la PLU de 16500). On peut donc considérer que l'influence de la mise au point sur les PLU est faible.

Conclusion

Voici en résumé une comparaison de deux PLU, l'une crépusculaire et l'autre nocturne.

Cette étude montre que des différences significatives existent entre ces deux images, et il faut donc, en théorie, préférer les PLU crépusculaires qui sont plus proches des conditions réelles de prise de vue. Mais la difficulté pratique d'obtention de ces dernières font des PLU nocturnes une excellente alternative pour rendre la vie des observateurs moins stressante !