Le bruit en astrophotographie

Le bruit en astrophotographie ? Cet article en explique les causes

Le bruit est l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les astrophotographes. Malgré les techniques les plus modernes et même l'intelligence artificielle, il reste un facteur perturbateur tenace qui nuit à la qualité de l'image. Mais qu'est-ce qui se cache derrière ce phénomène ? Pourquoi apparaît-il et sous quelles formes se présente-t-il ? Dans cet article, nous mettons en lumière les types et les causes du bruit et vous donnons des conseils pratiques pour optimiser vos photos d'astronomie.

Qu'est-ce que le bruit ?

Le bruit désigne les variations aléatoires du signal qui ne contiennent aucune information utile et qui nuisent à la qualité de l'image. Il se manifeste par des fluctuations apparemment aléatoires de la luminosité ou de la couleur, qui ne font pas partie de l'objet photographié. Le rapport signal/bruit (SNR) est déterminant pour la qualité de l'image et se calcule comme suit :

SNR = A_signal / σ_noise

Où A_signal représente l'amplitude du signal détecté par le capteur, c'est-à-dire une moyenne du signal, tandis que σ_noise désigne le bruit tant redouté. Un rapport signal/bruit (SNR) de 1 signifie que le signal est indissociable du bruit ; une valeur de SNR supérieure ou égale à 10 est considérée comme « bonne ». Cette information est particulièrement utile pour la sélection des étoiles de guidage. Les logiciels modernes calculent automatiquement les « meilleures » étoiles du champ en se basant sur la FWHM (largeur à mi-hauteur du profil de l'étoile) et le rapport signal/bruit (SNR).

Types de bruit

En astrophotographie, on distingue principalement trois types de bruit :

Bruit de fond (Dark Noise)

Le bruit de fond est un signal parasite généré par les variations thermiques du capteur. Ces variations « activent » le capteur et produisent un bruit indésirable qui ne peut être contrôlé. En photographie, il faut tenir compte du temps d'exposition, car plus l'exposition est longue, plus le capteur capte de variations thermiques. Le bruit de fond dépend fortement de la température ; c'est pourquoi il existe aujourd'hui des capteurs refroidis sophistiqués, capables de réduire ce bruit au minimum .

De plus, le bruit de fond peut être encore réduit grâce à la réalisation de ce qu'on appelle des « dark frames ». Ces « dark frames » doivent être prises dans les mêmes conditions que les « light frames » proprement dites, c'est-à-dire avec le même temps d'exposition, le même gain/ISO et la même température.

Bruit électronique

Le bruit électronique est dû à des erreurs de lecture aléatoires du capteur et varie considérablement d'un système à l'autre. Dans le cas des capteurs CCD, chaque pixel est associé à une variation quadratique moyenne, appelée « bruit de lecture ». Le bruit électronique prend toute son importance lorsque l'on photographie des objets très peu lumineux, car il peut se superposer aux signaux de ces objets et les altérer.

Bruit de tir ou bruit quantique

Le bruit de tir, également appelé bruit quantique, est sans doute le plus critique des trois types de bruit. Il résulte de la nature discrète de la lumière, qui est constituée de photons. Le nombre de photons détectés pendant un temps d'intégration « t » suit une distribution statistique des comptages de photons.

Pour illustrer cela, imaginez une journée très pluvieuse où nous disposons, dans un grand jardin, un millier de seaux de taille identique pour recueillir l'eau de pluie. Ces seaux sont placés très près les uns des autres, à l'instar des pixels sur un capteur astronomique. Nous comptons le nombre de gouttes de pluie qui tombent dans chaque seau pendant une durée donnée. Le nombre de gouttes dans chaque seau variera : un seau pourrait en contenir 100, un autre 90 ou peut-être 110.

Plus les seaux restent longtemps dehors, plus ils recueillent d'eau (à condition qu'ils ne débordent pas !). Il en va de même pour la lumière : les photons ne tombent pas de manière uniforme sur chaque pixel du capteur, et le comptage des photons suit une distribution statistique. Pour la lumière monochromatique (comme celle d'un laser), il s'agit généralement d'une distribution de Poisson.

Compte tenu de la nature quantique du signal, le nombre de comptages est le suivant :

Nombre de comptages = flux de photons × QE × t

où « QE » désigne l'efficacité quantique du capteur, c'est-à-dire le pourcentage de lumière convertie en signal, et « t » le temps d'intégration. On en déduit le rapport signal/bruit :

SNR ∝ √t

Cette formule montre clairement que plus le temps d'intégration est long, plus le rapport signal/bruit est élevé et plus le bruit est faible. Bien qu'il s'agisse d'une simplification (car les signaux astrophysiques peuvent présenter des distributions plus complexes), le principe reste le même : vous souhaitez réduire le bruit sur votre photo ? Dans ce cas, allongez le temps d'intégration.

La prise de centaines de « dark frames » ou d’images de biais ne permet de réduire le bruit que dans une certaine mesure, car le bruit perçu provient principalement de la nature quantique de la lumière. Pour obtenir une photo du ciel profond avec peu de bruit, vous devez prolonger autant que possible le temps d’intégration, en fonction de vos besoins. Par exemple, si vous avez exposé un objet pendant 2 heures, 10 minutes supplémentaires, voire une heure d’exposition supplémentaire, n’apporteront pas d’amélioration notable. En première approximation, vous devez au moins doubler le temps d’exposition pour obtenir des améliorations significatives. Cela signifie que, pour une exposition initiale de 2 heures, vous devriez la prolonger à au moins 4 heures afin d’obtenir une amélioration sensible de la qualité.

Lorsque les temps d'intégration atteignent 20 heures ou plus, cela peut poser problème, mais grâce aux technologies modernes, il existe des alternatives. Les télescopes « rapides », comme le télescope d'Omegon extrêmement rapide, réduisent de moitié le temps d'intégration nécessaire.

L'ouverture de f/2,8 permet d'utiliser des temps d'exposition plus courts (même si cela ne signifie pas pour autant que l'on capte davantage de lumière – c'est l'ouverture qui détermine cette quantité). C'est donc comme si, par « magie », il pleuvait plus fort lorsqu'on change de seau.

Résumé

Il existe différentes sources de bruit, dont trois types principaux : le bruit de fond, le bruit électronique et le bruit quantique. Le bruit quantique diminue à mesure que le temps d'intégration augmente et, contrairement aux deux autres, il ne dépend pas de facteurs intrinsèques à l'appareil. La règle générale est donc la suivante : plus le temps d'intégration est long, plus les photos sont belles.

Bonne chance pour vos séances d'astrophotographie sous un ciel dégagé !

Emanuele est astrophotographe et il étudie la physique à l’Université de Palerme.

Emanuele se passionne pour l’astronomie depuis son enfance. Il est aujourd’hui un astrophotographe de talent. Ses photos sont appréciées et elles sont publiées sur Internet et dans des revues spécialisées. Ses études et sa passion font de lui un conseiller compétent pour donner les meilleurs conseils qui soient quand il s’agit de produit spécialisés pour l’astronomie amateur !

Langues : italien, anglais