Capteur Sony IMX178LGJ

La caméra qui équipe en standard le télescope Origin de Celestron est basée sur le capteur CMOS IMX178LQJ (color) de Sony, annoncé en sept 2013, et utilisé depuis une dizaine d’année dans le monde de l’astronomie par des marque telles que ZWO, QHYCCD, Altair etc... Donc rien de bien nouveau de ce coté là.

Sans être le dernier cri de la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) de Sony ce capteur ne démérite pas. Mais comme en astrophotographie il n'y a pas de petit gains, on espère qu'un upgrade sera proposé par Celestron dans les 2 ou 3 prochaines années.

Caractéristiques principales :

Elles ont importantes car certains logiciels peuvent vous demander ces valeurs.

Ce capteur peut être utilisé à différentes résolutions d’image. Ces résolutions sont toutes plus faibles que la résolution physique du capteur. Seules les info relatives à la résolution utilisée par l’Origin (mode All-Pixel Scan 6.3M) sont présentées ici :

Paramètre                              | Valeur pour IMX178LQJ-C
---------------------------------------+--------------------------
Résolution physique du capteur         | 3096 x 2094 pixels
Taille d’un pixel                      | 2.4 x 2.4  µm
Matrice de Bayer                       | RGGB
Résolution utilisée par l’Origin       | 3072 x 2048 pixels
- zone du capteur utilisée (diagonale) | 7.372 x 4.915 (8.860) mm
- Champ visuel                         | 1.27° x 0.85°
- Format                               | 3:2 
- Précision de la conversion A/D       | 14 bits

Quand un capteur est utilisé pour produire des vidéos il y a un compromis à trouver entre fluidité (images/seconde), précision des couleurs (10, 12, 14 bits/couleur) et détails dans l'image (résolution en pixels). En astrophotographie, où les temps d'exposition se comptent en secondes ou minutes (et non en millisecondes comme en vidéo), ce compromis n'est pas nécessaire puisqu'on n'a pas un frame-rate à respecter. C'est pourquoi l'Origin utilise la meilleure résolution (3072 x 2048 pixels) et la conversion A/D la plus précise; 14 bits (Les autres proposées par Sony étant 12 bits et 10 bits).

Voici comment on passe d'une résolution physique de 3096 x 2094 pixels à une lecture du capteur sur 3072 x 2048 pixels

Note: Quand Sony donne la diagonale de son capteur (8.92 mm) c'est celle de tout le capteur, pas celle de la zone réellement utilisée puisque elle dépend du mode de scan utilisé.

Vous lirez dans certaines (mauvaises) traductions que ce capteur est rétro-éclairé ! Mot-à-mot c’est ça, mais vu le sens habituel de rétro-éclairé il vaut mieux traduire « back-illuminated » par « recevant la lumière par le dos du circuit » même si c’est plus long et que ça ne vous éclaire pas plus ;-)
- La fabrication d’un capteur CMOS est plus simple si on commence la gravure du circuit par la surface sensible et qu'on y ajoute par dessus quelques composants pour acheminer les électrons captés vers le convertisseur A/D situé sur le coté. L’inconvénient de cette méthode dite «Front-illuminated» c’est que ces composants se trouvent sur le chemin de la lumière qui arrive au capteur et donc en amoindrisse le rendement, en plus de créer, par réflexion, des lumières parasites.
- La méthode « Back-illuminated » (qui est utilisée pour les capteurs de la famille IMX178) est plus complexe à réaliser mais à l’avantage de ne rien interposer  sur le chemin de la lumière. Le nom grand public de cette technique de construction est Startvis.

 

Dans le data-sheet du capteur IMX178LQJ-C Sony donne la courbe de sensibilité des photo-diodes et leurs filtre. On constate que la sélectivité des filtres n'est pas excellent... Par exemple au environ de  480 nm les photo-diodes bleues et vertes ont la même réponse (70%). Idem pour les photo-diodes vertes et rouges au environ de 580nm. Quand la photo-diode rouge est a son maximum (95% pour 600nm) le photo diode verte réagit à 50%.

Important: la surface sensible des photo-diodes dites rouge, verte et bleue est la même. Ce qui fait qu'une photo-diode donne une information sur une couleur spécifique c'est parce qu'il y a un filtre qui sélectionne la lumière que va recevoir cette photo-diode. Ce que montre le graphique ci-dessus est la combinaison de la sélectivité du filtre et de la sensibilité du capteur. Sans filtre la réponse du capteur est la suivante:  

 

Pour vous donner une idée de ce qui se fait ailleurs, consultez cette étude qui compare les réponses des capteurs photo utilisés dans les iPhone et les smartphones Android, et ce pdf de Argo corp qui présente les réponses d'une vingtaine de capteurs industriels. On y découvre que les capteurs Sony de la gamme ICX ont une bien meilleure réponse spectrale que ceux de la gamme IMX.

Autres caractéristiques

Dark noise                    2,9 e-
Saturation capacity         14036 e-
Dynamic range                71,8 dB
Signal-to-noise ratio        41,5 dB
Quantum efficiency @465 nm   58,4 %
                   @536 nm   62,8 %
                   @631 nm   47,2 %

(Source)

 

RASA (Schmidt Astrographe)

RASA = Rowe-Ackermann Schmidt Astrographe

Pour (bien) comprendre ce que R.A.S.A. signifie il faut le lire de droite à gauche

Astrographe 

L’Origin est un astrographe, pas un télescope, car il n’a pas d’oculaire et ne permet donc pas d'observation visuelle. Il ne permet de faire que des photographies. Cette absence d’oculaire n’est pas juste une simplification mais une impossibilité du système optique sur lequel il est basé : La chambre de Schmidt.

Schmidt

Il est impossible de faire de l’astronomie sans entendre parler de télescopes Schmidt-Cassegrain et, dans une moindre mesure, de la chambre de Schmidt.

Bernhard Schmidt (1879 - 1935)  était un physicien/opticien allemand fabricant de lentilles et de miroirs destinés aux astronomes amateurs, puis aux professionnels. A l'époque de Schmidt (les années 1920) les télescopes avaient une couverture de 1 ou 2° (comme l’Origin), ce qui rendait l’exploration systématique du ciel fastidieuse.

La première idée de Schmidt a été de remplacer le miroir parabolique utilisé jusqu’alors par un miroir sphérique concave (plus facile à construire) ce qui élimine les deux aberrations liées aux miroirs paraboliques : la coma sagittale, et l’astigmatisme(1) mais au prix de l’aberration sphérique. Et c’est là qu’en 1930, Schmidt a la seconde idée (de génie) : Installer une fine lentille asphérique (on dit aujourd’hui une lame de Schmidt) à l’entrée du tube pour corriger l’aberration sphérique. Le résultat est ce que l’on appelle une chambre de Schmidt puisque l’espace entre la lame et le miroir est clos. L’image se forme à  mi-chemin entre le miroir sphérique et la lame correctrice, donc dans la chambre de Schmidt, ce qui complique l'observation visuelle. Il faut soit mettre l’observateur dans la chambre (ce qui a été fait mais implique un diamètre de plusieurs mètres) soit y mettre un appareil photo. D’ailleurs les anglophones utilisent le terme Schmidt Camera (le mot anglais camera ne signifiant pas caméra mais appareil photo).

(1) Un miroir sphérique concave n'est pas strictement stigmatique, mais on considère qu'il l'est si tous les rayons incidents sont quasi perpendiculaires à la surface du miroir, ce qui est le cas pour un télescope. 

La représentation ci-contre de la lame de Schmidt, vue de profil, exagère énormément l'ondulation puisque le creux est de l'ordre de 10 μm (1 μm = 1 micromètre = 1 millième de millimètre).

La chambre de Schmidt est l'espace clos entre la lame de Schmidt et le miroir. 

Si R est le rayon de courbure du miroir sphérique concave, le plan focal est à R/2 à l'avant du miroir, et en principe on place la lame correctrice à la distance R du miroir c'est à dire que le centre de la lame et le centre de la sphère qui soustend le miroir sont confondus.

L'idée d'utiliser un miroir sphérique et de le corriger par une lame de Schmidt a été étendu aux télescopes existants disposants d'un oculaire. Ce qui a donné le Schmidt-Newton (oculaire sur le coté en haut du télescope) et surtout le Schmidt-Cassegrain (oculaire à l'arrière du télescope).

La courbure du plan focal est la même que celle du miroir. A l’époque des négatifs photographiques sur gélatine ce n’était pas dramatique. Mais aujourd’hui à l’ère des capteurs plats en silicium c’est un problème. Yrjö Väisälä avait proposé dés 1934 une solution pour aplanir le plan focal (mais avec des aberrations chromatiques).

Rowe-Ackerman 

Ce n'est qu'au début des années 2010 que, sous la houlette de Celestron, interviennent David Rowe puis  Mark Ackerman avec pour objectif de proposer une chambre de Schmidt (donc un astrographe) équipée d'un capteur pour le marcher des astronomes amateurs.
Contraintes:
- image plane
- capteur ccd à l’extérieur de la chambre 
- la lame de Schmidt doit utiliser la même chaîne de production que celle des Schmidt-Cassegrain produits par Celestron.
- A cause de la profondeur de champ extrêmement petite (quelques microns) 
-- garantir une mise au point ultra précise
-- garantir que le capteur est parfaitement perpendiculaire à l'axe optique 

TBC...