Défiltrage ou modification ?

La question est très souvent posée dans les réseaux sociaux en astrophotographie : à quoi ça sert de défiltrer un appareil photo, et qu’est-ce que la modification ? Cet article va tenter d’y répondre de façon la plus accessible possible.

Les longueurs d’ondes

Au début il y a des photons émis par des objets du ciel profond, étoiles, nébuleuses, etc. Et à l’arrivée, il y a un œil humain qui va regarder la photo qu’un astronome amateur a prise. Mais entre les deux se passent beaucoup de choses, dont l’acquisition de la photographie à proprement parler.

Les photons se caractérisent par leur longueur d’onde. Pour faire court, imaginez des vagues. La longueur d’onde est la distance qui sépare deux vagues successives. C’est aussi simple que cela. Mais la lumière fait des vagues toutes petites et très resserrées dont la longueur d’onde ne se mesure pas en mètres, mais en nanomètres, notés nm. Il y a 1 milliard de nm dans 1 m ! Plus la longueur d’onde est petite, donc plus les vagues sont serrées, plus la lumière sera violette et plus la longueur d’onde est longue, plus la lumière sera rouge.

L’œil humain

L’œil humain n’est sensible qu’à une toute petite portion des longueurs d’ondes possibles, de 380 nm (violet) à 750 nm (rouge sombre) environ. La sensibilité de l’œil dépend des cellules qui perçoivent la lumière, les cônes pour la vision de jour et les bâtonnets pour la vision de nuit. Les cônes sont de 3 types, les S, M et L, chacun ayant une sensibilité à l’intensité lumineuse de certaines longueurs d’ondes. Le cerveau interprète ces intensités pour nous donner une image en couleur.

Sensibilité égalisée des 3 types de cônes de l’œilhumain

Le capteur couleur des appareils photos

De son côté, le capteur d’un appareil photo est composé de cellules photoélectriques appelées photosites. Comme les cônes, les photosites ne perçoivent pas les couleurs mais juste une intensité lumineuse. Les ingénieurs ont donc placé des filtres et des pigments colorés devant les photosites pour qu’ils ne perçoivent qu’une bande de longueur d’onde particulière, d’abord réduite à la largeur spectrale « visible », puis décomposée en Rouge, Vert et Bleu. Les pigments sont placés selon une organisation dite de Bayer et la réponse est alignée à peu près sur celle des cônes SML humains.

Sensibilité type égalisée des 3 photosites Bleu, Vert et Rouge d’un appareil photo couleur
Les raies H-alpha et S-II sont représentées en traits pointillés

Mais le capteur CMOS des appareils photos est bien plus sensible que cela. Si les photo sites n’avaient aucun filtre devant eux, ils seraient sensibles aux longueurs d’ondes de 300 nm à 1100 nm environ.

Sensibilité typique d’un capteur CCD ou CMOS monochrome

Les filtres

Les ingénieurs placent des filtres devant le capteur pour supprimer les longueurs d’ondes sous 400 nm et au-delà de 700 nm, . On trouve 2 filtres sur la plupart des boitiers :

  • Le premier, souvent appelé « LPF1 », est un filtre interférentiel qui ne laisse passer que les longueurs d’ondes entre 380 nm et 750 nm environ. Ce filtre est aussi souvent associé à un système de vibrations piézoélectriques antipoussières.
  • Le second, souvent appelé « LPF2 », est un filtre teinté dans la masse qui atténue très fortement les longueurs d’ondes en dehors de 400-650 nm.

Enfin pour achever le filtrage, les photo-sites sont surmontés de filtres colorés Rouge, Vert et Bleu arrangés en matrice de Bayer. Une microlentille recouvre chaque ensemble photosite-filtre coloré pour concentrer plus de lumière sur la partie photosensible , comme on peut le voir sur cette photo d’un capteur « gratté ».

À gauche avec les microlentilles, au centre la matrice RVB, à droite les photosites nus

Voilà comment l’énorme bande passante de 320-1100 nm est réduite à la simple fenêtre étroite de 400-650 nm.

Les longueurs d’ondes intéressantes en astrophotographie

L’astrophotographie consiste à photographier des objets célestes, comme les galaxies, les nébuleuses, etc. Ces objets émettent dans tout l’ensemble du spectre électromagnétique dont seule une toute petite partie nous intéresse entre 350 et 750 nm environ. C’est la bande visible.

Elle nous intéresse tout simplement parce que le matériel dont nous disposons n’est pas capable de « voir » en dehors… Mais les appareils photos, tels qu’ils sont vendus avec leurs filtres internes, ne permettent pas d’explorer toute cette bande.

Les nébuleuses émettent en particulier beaucoup de lumière dans deux longueurs d’ondes :

  • La raie Hα (ou H-alpha) est une raie d’émission de l’atome d’hydrogène située à 656,3 nanomètres
  • La raie SII (ou Soufre 2) qui est en fait une double raie d’émission de l’atome de Soufre, situées à 671.3 nm et 673.2 nm.

Ces longueurs d’ondes très représentées dans nombre d’objet célestes sont invisibles aux yeux des capteurs des appareils photo du commerce, sauf si on en retire les filtres.

Nous y voilà !

Les solutions

Défiltrage total (ou full spectrum)

Les deux filtres LPF1 et LPF2 sont retirés. Le capteur est directement exposé à la lumière et voit donc l’ensemble du spectre auquel il est sensible. Il ne reste que les pigments colorés de Bayer.

L’avantage de cette solution est sa simplicité. Il est possible, avec de la minutie, de réaliser cette opération chez soi. La présence de poussières n’est pas gênante en soit car le capteur reste accessible et peut facilement être nettoyé. Cependant il faut impérativement retirer les poussières avant les prises de vues. Les poussières se collent en effet très près du capteur et ne peuvent pas être retirées avec les flats, leur ombre est trop nette.

L’autre avantage, c’est que le capteur n’est plus protégé par le double vitrage formé par les filtres. Il chauffe moins.

Mais ces avantages ont des contreparties.

Les lentilles des lunettes astronomiques et des objectifs, même les plus haut de gamme « apo chromatiques » sont optimisés pour que les rayons de lumière convergent à peu près au même endroit pour les longueurs d’ondes de 400 à 700 nm environ. Comme le capteur voit au-delà, les rayons violets sous 400 nm, et rouge au-dessus de 700 nm ne vont plus converger au même endroit. On se retrouve avec des étoiles entourées d’un halo rouge ou violet. Il faut donc utiliser un filtre pour couper les IR et les UV, qui peut être placé dans l’appareil photo (filtres Clip), ou devant l’objectif. Les réflecteurs (télescopes à miroirs) n’ont pas ce problème, et le correcteur de coma est trop proche pour générer un chromatisme pénalisant.

Sensibilité égalisée des 3 photosites pour un appareil photo défiltré total
Les raies H-alpha et S-II sont représentées en traits pointillés

L’autre problème, et de taille, est qu’il n’est plus possible de faire la mise au point à l’infini avec les objectifs, surtout les grands angles. L’autofocus de l’appareil photo aussi est complétement décalé. Et la balance des blancs n’est pas rattrapable, les photos étant très rouges.

Cette solution permet la photo infrarouge jusqu’à des longueurs d’onde de 1000 nm environ avec des filtres adaptés.

Défiltrage partiel 

Le filtre LPF2 est retiré. Il ne reste que le filtre LPF1.

Ce filtre ne laisse passer la lumière qu’entre 400 nm et 700 nm environ. On voit bien sur la réponse spectrale ci-dessous que les raies H-alpha et S-II sont maintenant bien visibles.

Sensibilité égalisée des 3 photosites pour un appareil photo défiltré partiel
Les raies H-alpha et S-II sont représentées en traits pointillés

Cette solution est assez difficile à réaliser proprement sans matériel adapté. Il faut absolument empêcher les poussières de rester entre le capteur et le filtre, car il n’est pas possible de les retirer sans démonter l’appareil photo. Il faut aussi compenser la perte de verre causée par le retrait du filtre LPF2. Cette épaisseur manquante décale en effet la mise au point et l’autofocus. Si on ne rectifie pas la position du capteur, certains objectifs grands angles ne pourront plus faire la mise au point à l’infini, et l’autofocus sera décalé.

Le filtre LPF1 qui reste en place est très efficace pour couper les IR au-delà de 700 nm avec les appareils photos d’après fin 2012 chez Canon (depuis le 6D). Les appareils plus anciens ainsi défiltrés peuvent souffrir d’un peu de chromatisme avec les réfracteurs.

La balance des blancs sera un peu décalée dans le rouge mais rattrapable en utilisant la fonction de balance des blancs personnalisée de l’appareil photo ou en post traitement.

Voici une photo qui montre la différence entre un défiltrage partiel et un défiltrage total. Je tenais ici le filtre LPF1 devant l’objectif, c’est donc une photo unique de la même scène (Canon 1000D). On constate très bien l’énorme décalage des couleurs vers le rouge avec un boitier défiltré total.

Modification

Le filtre LPF1 est conservé et le filtre LPF2 est remplacé par un filtre qui coupe les UV et IR. Ce second filtre ajouté améliore un peu le filtrage du LPF1. Chez Canon, c’est une bonne solution sur les appareils antérieurs à fin 2012 (avant le 6D).

Comme pour le défiltrage partiel, cette solution requiert d’extrêmes précautions contre les poussières avant de refermer le boitier. Cependant le verre de remplacement compense celle du verre retiré et permet de conserver la mise au point à l’infini et l’autofocus. Il n’y a que la balance des blancs qui doit être ajustée en réglage manuel, ou en post traitement.

Sur les images, la différence entre un boitier défiltré partiel et un appareil modifié est très faible, surtout, chez Canon, à partir du 6D. Ce type d’intervention n’est donc pas toujours nécessaire et un défiltrage partiel est tout aussi efficace.

Le filtre LPF1 est souvent associé à un élément piézoélectrique qui assure un nettoyage sommaire contre les poussières. Mais tous les boitiers n’en sont pas équipés, comme par exemple les Canon 1100D, 1200D, 1300D et 2000D. Avec ceux-là, il est possible de retirer le filtre LPF1 et de ne laisser que le filtre de substitution. Attention toutefois, dans ce cas on se retrouve comme en défiltrage partiel, avec le risque de perdre la mise au point à l’infini sur les objectifs grands angles, et l’autofocus, sauf si le capteur est bien recalé. L’autre soucis c’est la finesse du filtre de substitution. Il est bien plus fragile que le LPF1. Il faut faire extrêmement attention à ne pas le casser en nettoyant le capteur.

Récapitulatif des diverses solutions

 Défiltrage TotalDéfiltrage PartielModification
Possibilité de le faire soi-mêmeOuiPas recommandéPas recommandé
Prix de l’intervention par un spécialisteFaibleModéréÉlevé
Spectre passant~300-1100 nm~380-720 nm~380-720 nm
H-alphaOuiOuiOui
S-IIOuiOuiOui
Photo IROuiNonNon
Balance des blancsNon rattrapableRattrapableRattrapable
Mise au point infiniPerdue avec la plupart des objectifsPerdue avec de nombreux grands angles (1)Conservée
AutofocusPerduPerdu (1)Conservé
Chromatisme avec réfracteursImportant (2)Faible / négligeable (3)Négligeable
  1. Sauf si capteur recalé
  2. Sauf si utilisation d’un filtre anti UV-IR
  3. Faible avec les Canon antérieurs au 6D