Société d'Astronomie de Rennes

Société d'Astronomie de Rennes - 35 Ille et Vilaine

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#1 21-03-2020 16:32:22

pascal_gouraud
Modérateur
Lieu: Le Haut Pontais - JANZE
Date d'inscription: 24-10-2010
Messages: 369

quels sont les meilleurs objectifs pour la photo nightscape ?

bonjour à tous,
Profitant du confinement, j'ai réalisé une petite étude, pour tenter de répondre à quelques questions, concernant le choix d'un  objectif pour la prise de photos de notre ciel étoilé en grand champ.

Le but est de proposer un classement(scoring) des objectifs pour un usage précis et selon leurs performances respectives.
Ce classement des performances des objectifs a été fait selon certains critères décrits dans la section Méthodes de calculs.

Ceux qui seraient réticents aux petites équations, peuvent directement consulter les résultats et conclusions.

Le fichier de scoring des objectifs en version open office est disponible ici :
https://drive.google.com/file/d/1kWgtL8 … sp=sharing


Résultats et conclusions
Le fichier de scoring/classement des objectifs, selon leur performance, est divisé en 4 onglets avec 4 scorings différents correspondant à des usages différents :

- 1er onglet : scoring d'objectifs pour la photo sans suivi
>>> classement basé sur la Lumière totale collectée par la surface angulaire du capteur pour un temps de pose sans filé

[avec détermination du temps de pose maximal selon la focale pour ne pas avoir de filé d'étoiles]
[différentes focales et différentes ouvertures, avec un même capteur (ici plein format 24x36mm)]

Ce scoring 1 concerne la photo sans suivi et sans filé d'étoiles, avec un grand champ et un temps de pose limité pour éviter les trainées d'étoiles. Le champ couvert est le champ total offert par l'objectif utilisant toute la surface du capteur.
Les objectifs à forte ouverture donc 1.4 à 1.8 sont ceux qui obtiennent les meilleurs scores, avec notamment le 20mm F1.4 et le 24mm à F1.4. à noter qu'un 24 F1.4 va collecter environ 3X plus de lumière qu'un 14mm F2.8, et ce malgré le temps de pose max plus défavorable pour le 24mm. par contre le champ couvert sera un peu plus restreint pour le 24mm.

à noter aussi les bonnes performances d'un 35mm ouvert à 1.4 ou 1.8. Le 35mm peut donc s'avérer notamment intéressant en panorama avec plusieurs poses pour compenser le champ plus restreint par rapport à un 14mm ou 20mm.
un 35mm F1.4 collecte X4 plus de lumière qu'un 35mm F2.8, ce qui est conforme au ratio entre 1.4/2/2.8 (facteur 2 entre chaque cran)

Pour les focales plus longues, donc désavantagées par le temps de pose max, on peut aussi privilégier l'utilisation d'un 85mm à F1.2 ou 1.4 qui présente de bonnes performances. Par contre là aussi le champ sera plus restreint mais bien adapté notamment pour la prise de vue d'une ou deux constellations à la fois.


- 2éme onglet : scoring d'objectifs pour la photo sans suivi
>>> classement basé sur la Lumière totale collectée pour une zone sélectionnée,  pour un temps de pose sans filé

[avec détermination du temps de pose maximal selon la focale pour ne pas avoir de filé d'étoiles]
[différentes focales et différentes ouvertures, avec un même capteur (ici plein format 24x36mm)]

Le scoring 2 présente un classement différent car on considère comme critère le champ couvert par une zone du ciel (ici il s'agit d'une zone carrée de 4 degré de coté). la valeur du champ couvert est modifiable en cellule F5, mais ne change pas les résultats.
Ce champ est le même pour tous les objectifs.

Les objectifs à plus longue focale de 85mm à 300mm et forte ouverture donc 1.4 à 2.8 sont ceux qui obtiennent les meilleurs scores, avec notamment le 85mm 1.2 et 1.4, le 135mm F2 et le 300mm F2.8. à noter qu'un 300mm F2.8 va collecter environ 1.5X plus de lumière qu'un 200mm F2.8, et ce malgré le temps de pose max plus défavorable pour le 300mm.
par contre le champ couvert sera un peu plus restreint pour le 300mm.

Le temps de pose max intervient également.Tous ces objectifs avec les meilleurs scores sont limités par leurs focales et le temps de pose reste faible de 1 à 4 secondes. On est donc bridé par le temps de pose et on n'exploite pas tout le potentiel de ces focales plus longues. C'est pourquoi, nous allons considérer les 2 scorings suivants réalisés avec suivi, de façon à pouvoir augmenter le temps de pose.


- 3éme onglet : scoring d'objectifs pour la photo avec suivi pour un même temps de pose de 30 secondes
>>> classement basé sur la Lumière totale collectée par la surface angulaire du capteur pour un temps de pose de 30 secondes

[différentes focales et différentes ouvertures, avec un même capteur (ici plein format 24x36mm)]

Le scoring 3 présente un classement différent car on considère comme critère le champ total couvert par le capteur pour une pose de 30 secondes. Les objectifs de 20mm à 135mm et forte ouverture donc 1.4 à 2.8 sont ceux qui obtiennent les meilleurs scores, avec notamment le 85mm 1.2 et 1.4, le 20,24mm et 35mm F1.4.

Les meilleurs résultats sont donc pour les objectifs offrant un maximum de lumière sur la zone à mettre en valeur.
Par contre  quel serait l'objectif offrant le plus de détails et le maximum de lumière pour une zone considérée.
à nouveau cela nous amène à un nouveau scoring basé sur la capacité de l'objectif à agrandir l'objet à photographier sans pour autant trop réduire la lumière collectée.


- 4éme onglet : scoring d'objectifs pour la photo avec suivi pour un même temps de pose de 30 secondes.
>>> classement basé sur la Lumière totale collectée pour une zone sélectionnée  pour un temps de pose sans filé

[différentes focales et différentes ouvertures), avec un même capteur (ici plein format 24x36mm)]

Le scoring 4 présente un classement différent car on considère comme critère la  champ couvert par une zone du ciel
ici il s'agit d'une zone carrée de 4 degré de coté. la valeur du champ couvert est modifiable en cellule F5, mais ne change pas les résultats. Ce champ est le même pour tous les objectifs.

Les meilleurs résultats sont les objectifs de longues focales de 300mm à 85mm, car ceux ci ont un diamètre de collecte plus grand ainsi qu'un grandissement plus fort de l'image.

à noter la taille en pixel en colonne O, de la zone saisie en cellule F6 sur un capteur plein format avec 6 microns de taille de pixel.
Cette zone de 4 degré pour un objectif de 100mm fera 1165 pixels de coté comparé à un 200mm ou la zone fera 2330 pixels soit un agrandissement d'un facteur 2.
Par contre le 100mm à F2 présente une densité de lumière supérieure par pixel. mais sur la totalté de la zone l'avantage reste au 200mm.

Pour les 4 onglets et chacun des tabeaux, vous disposez aussi de lignes avec les cellules bleues à remplir si vous voulez simuler des calculs avec des objectifs et capteurs différents.

Références
Pour réaliser cette petite étude, j'ai utilisé deux sites (remarquables) qui se sont révélés une vraie mine d'informations.
Ensuite j'ai adapté et enrichi la méthode pour le filé sans suivi et aussi avec suivi en considérant différents types de scoring.

Site Lonely SPECK (How to Photograph the Milky Way – Astrophotography Tutorials, Tools, Gear + Inspiration) :
- en partant de la méthode de calcul décrite par Ian Norman pour la photo sans filé d'éttoiles (donc sans suivi)
- https://www.lonelyspeck.com/lenses-for- … otography/

Site de Roger N.Clark ClarkVision
- https://clarkvision.com/articles/charac … otography/
- https://clarkvision.com/articles/low.li … .f-ratios/
- https://clarkvision.com/articles/exposure/


Annexes Techniques

les questions posées et les méthodes de Calculs pour y répondre

Quels sont les objectifs les plus adaptés pour réaliser des photos grand champ sans filé ?
[temps de pose limité par le déplacement des étoiles selon la focale mais avec le maximum de lumière et sans suivi équatoria]
[l'objectif avec la caméra étant posé simmplement sur un bon trépied]

- par exemple  :
     - comment comparer un 35mm à F1.8 avec un 35 à F2.8 ? quel est l'impact d'un rapport F/D plus petit ? lequel collecte plus de lumière pour un suivi sans filé ?
     - comment comparer un 14mm F2.8 et un 35 à F2.8 ?  quel est l'impact d'une focale plus longue ? lequel collecte plus de lumière pour un suivi sans filé ?
         - comment comparer un 85mm à F1.4, un 135mm à F2 et un 200mm à F2.8 ? que m'apporte une focale plus longue ? comment adapter mon temps de pose?
     - pour un objectif donné, quel devra être mon temps de pose maximal, pour éviter le filé ?
     - en fonction de ma caméra, quel sera le plus petit détail visible? (en angle de champ) et quel sera le champ couvert ?
etc...
Quels sont les objectifs les plus adaptés pour réaliser des photos grand champ, avec suivi équatorial ?
[temps de pose limité par la pollution lumineuse et qualité du suivi, avec le maximum de lumière, le maximum de détails et le moins de bruit possible]
[l'objectif avec la caméra étant posé simmplement sur une petite monture de star adventurer, Ioptron SkyGuider, ou petite équatorial type Ioptron smarteq, explore scientific exos 2, etc...)

- par exemple :
    - pour une zone donnée par exemple un champ de qqes dégrés contenant plusieurs nébuleuses étendues (comme la tête de cheval et la nébuleuse M42...) :
    - quel est le meilleur compromis entre le plus grand champ couvert, et la mise en évidence de ces grandes nébuleuses ?
    - quel sera sur le capteur la taille de la nébuleuse (en pixels) ?
    - quel sera la taille du plus petit détail ? et quel sera le champ couvert par le capteur?
    - comment comparer un 100mm à F2, un 200mm à F2.8, un 300mm à F2.8 ? le 100 mm à F2 est il le plus lumineux?
etc...


Détail des Méthodes de calcul 

Nous allons essayer d'identifier les paramètres les plus importants qui vont nous permettre ensuite de classer ou scorer les objectifs.
On va se servir de quelques équations d'optique et de physique, en s'attachant à classer les objectifs selon des valeurs relatives et non absolues.
cela signifie, qu'on pourra comparer entre eux les objectifs en prenant l'un d'entre eux comme référence.
Par contre, à ce stade, on ne pourra pas calculer la magnitude limite qu'on pourra atteindre sur une photo (si ça tente certains, ce serait intéressant de compléter le fichier des scores avec la magnitude limite !)

Nous laisserons aussi de coté les conditions de prise de vue telles que le seeing, les caractéristiques spécifiques des capteurs comme le rendement quantique, le bruit de lecture, la capacité de remplissage des pixels etc...
Et enfin nous considérerons un même capteur pour comparer l'ensemble des appareils photos
(mais le ficher de calcul permettra de changer les caractéristiques du capteur à savoir la taille du pixel en microns, et la taille du capteur en lhauteur et largeur en mm.)

Tout d'abord nous allons distinguer 3 facteurs clés déterminant en final la quantité totale de lumière collectée par notre objectif et boitier photo.
Le 1er concerne la capacité de l'objectif à collecter les photons du champ céleste qu'on désire photographier
Le 2éme concerne le champ couvert par l'objectif soit en totalité, soit pour une portion de ciel spécifique
Le 3éme concerne le temps de pose permettant aussi d'améliorer la quantité de lumière totale (temps de pose maximale autorisé si on est sans suivi et un temps de pose fixe si on est avec suivi)


La quantité de lumière totale ainsi collectée par le système Objectif+capteur est proportionnelle à la multiplication des 3 facteurs,

C'est cette formule qui nous permettra de comparer la performance des objectifs pour un même capteur, elle sera égale  à :
Surface réelle de la Lentille en entrée X Surface Angulaire couverte par le capteur (ou par une zone du ciel spécifique) X Temps de pose


1er facteur : Comment caractériser la capacité de collecte de lumière par un objectif ?
Celle ci est proportionnelle à la surface de la lentille (ou miroir) qui collecte la lumière.
La surface pour une lentille est égale à PI * Diamètre²/ 4.

quel est le diamètre réel de l'objectif ?
on parle ici du diamètre réel de collecte ou autrement dit de sa pupille d'entrée.
sur un objectif à focale fixe, le diamètre en fait varie selon l'ouverture donc selon qu'on ferme plus ou moins le diaphragme
le diamètre réel est donc lié au rapport F/D. par exemple un 50mm ouvert à 2 donne F/D = 2 et donc D=F/2=50/2=25mm
Plus on ferme le diaphragme et moins on collecte de lumière car la dimension de collecte est réduite à chaque fois.
On peut noter par ailleurs que les valeurs de rapport F/D correspondent à un facteur 2 entre elles, donc quand on passe de F/D 11 à F/D 8, on gagne un facteur 2 en lumière. C'est vrai ainsi pour les valeurs 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11 etc...

Donc le 1er facteur qui va s'avérér réellement déterminant c'est la surface de la lentille qui varie selon le carré du diamètre.
Prenons par exemple un 35mm F/D 2.8 et un 15mm F/D2.8. Le 1er a une pupille d'entrée de 35/2.8=12.5mm et le second de 15/2.8=5.4mm. Sur le plan strict de la surface de la lentille collectant la lumière, Le 35 mm va donc collecter 5.3X plus de lumière que le 15mm (5.3=(12.5/5.4)²). De même, un 200mm F2 par rapport à un 50mm F2 va collecter en fait (100/25)² 16 fois plus de lumière que le 50mm.

2éme facteur : l'angle de champ couvert par l'objectif et la surface angulaire soustendu par le capteur
Ici l'angle de champ va dépendre également de la focale et de la taille du capteur sur lequel l'image va se focaliser.
L'angle de champ couvert en horizontal et vertical se calcule selon la formule suivante :
- Angle en radians sur la largeur = 2xArcTangente(largeur en mm/(2Xfocale en mm))
- Angle en radians sur la hauteur = 2xArcTangente(hauteuren mm/(2Xfocale en mm))

Pour obtenir des degrés, il suffit de convertir les radians en degré via la formule : 1 degré = PI / 180 (autrement dit 3,14116 radians  correspondent à un angle de 180 degré)

Pour un plein format LargeurXhauteur= 24x36mm
Pour un APS-C CANON = 22,2X14,8mm donc avec un facteur de conversion de 36/22,2=1.62.

La surface angulaire correspondant à l'angle de champ couvert en largeurXhauteur par le capteur est donc en radians²=angle en radian sur la largeur X angle en radian sur la hauteur.

cette surface angulaire est le 2eme facteur déterminant pour calculer la quantité de lumière correspondant à l'angle de champ du capteur. cette surface angulaire peut aussi se calculer pour un pixel. L'angle soutendu par un pixel correspond à l'échantillonage du système, car c'est lui qui sera à la base de la résolution des plus fins détails.

L'échantillonnage en secondes d'arc = 206XTaille Pixel en microns/Focale en mm.
Cet échantillonage au carré va donc correspondre à la surface angulaire soutendu par un pixel.
La densité de lumière reçue par un pixel est proportionnelle au Surface réelle de la Lentille en entrée X Surface Angulaire couverte par un pixel. Cette valeur est la même pour des objectifs avec le même rapport F/D (quelque soit le diamètre de la lentille d'entrée).

La surface angulaire peut aussi se calculer pour une zone du ciel exprimée en degré, minutes d'arc ou secondes d'arc.
Cette zone correspondra une fois l'image focalisée sur la capteur à une portion du capteur avec une taille en pixel dépendant de l'échantillonage.

Par exemple, pour une zone carré de 5 degré de coté, la surface angulaire sera de 25 degré au carré ou encore (5XPI/180)² radians (soit 0,0761 radians au carré)


3éme facteur : le temps de pose
Pour un cliché sans suivi, il y aura un temps de pose maximal, au delà duquel le déplacement des étoiles sous formes de trainées sera perceptible. Les critères déterminants sont la focale (correspondant en fait au facteur d'agrandissement) et l'endroit du ciel pointé. Les trainées étant plus longues à l'équateur qu'autour du pôle.

Une formule communément admise et assez stricte permet de calculer le temps de pose maximum :
T pose maxi = 300/Focale en mm (pour un format autre qu'un plein format, il conviendra de multiplier la Focale par le facteur de conversion).
Par conséquent, plus la focale est longue, plus on sera limité par le temps de pose. C'est donc un compromis à choisir entre la courte focale évitant plus facilement les trainées d'atoiles et les focales plus longues collectant plus de lumière.

Pour un cliche avec suivi, on pourra donc allonger le temps de pose y compris pour les focales plus longues, ce qui va nous permettre de tirer profit des focales  plus longues et d'améliorer le rapport signal sur bruit.
Ce temps de pose sera plus limité par la pollution lumineuse et la qualité du suivi ou alignement polaire.

Un autre effet intéressant est aussi le facteur d'agrandissement des focales plus longues.
Pour un même objet ou champ à photographier (par exemple la région de M42 et de la tête de cheval dans Orion),
l'objectif va focaliser l'image de cet objet sur le capteur, en étendant l'image sur plus de pixels pour une focale plus longue.

Prenons un exemple :
Une portion de champ à photographier particulièrement intéressant et qu'on désire étendre au minimum sur 300 pixels de coté.
on dispose d'un 100mm à F4 et un 200mm à F4 et on se base sur un même temps de pose de 30 secondes

Surface réelle de la Lentille en entrée
100mm F4 : 100/4=25mm
200 F4 : 200/4=50mm
le 200mm va collecter (50/25)²= 4 fois plus de lumière que le 100mm

Surface Angulaire couverte par la zone de 300 Pixels avec un capteur plein format 24x36mm et des pixels de 6 microns
100mm F4 : echantillonage en secondes d'arc par pixel = 206x6/100 = 12,36" par pixel
200mm F4 : echantillonage en secondes d'arc par pixel = 206x6/200 = 6,18" par pixel

Surface angulaire couverte par la zone de 300 pixels sur le 100mm à F4
100mm F4 = 300 x 12,36" = 3708" = 3708/60 minutes d'arc   
Taille de la même zone sur le 200mm à F4 = 3708"/6,18"= 600 pixels

Donc le 100mm focalise l'image de cette zone sur une portion du capteur de 300pixels x 300 pixels
Le 200mm focalise la même zone en l'étendant (car la focale étant plus longue, il agrandit l'image) sur une portion de capteur de 600 pixels X 600 pixels. Globalement la zone étant 2 fois plus grande en hauteur et largeur, la lumière colectée est donc 4X plus importante pour le 200mm, mais le 200mm l'agrandit sur une zone 4X plus grande.
La quantité de lumière reçue par un pixel est la même (même densité).

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#2 21-03-2020 20:27:16

Guillaume L.
Posteur fou
Date d'inscription: 20-04-2011
Messages: 103

Re: quels sont les meilleurs objectifs pour la photo nightscape ?

Salut Pascal,
Superbes explications, très complet et une véritable référence quand on se pose une question liée à la prise de vue.
Absorbé par les explications je n'ai même pas encore ouvert le fichier.
A bientôt
Guillaume

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#3 21-03-2020 20:39:01

Matthieu Martin
Administrateur
Lieu: Rennes
Date d'inscription: 25-09-2017
Messages: 178

Re: quels sont les meilleurs objectifs pour la photo nightscape ?

Joli pavé ! Ça tombe bien, on a le temps de le lire en ce moment.

Merci Pascal pour tout ce travail !

Matthieu

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#4 21-03-2020 20:49:41

Pierre Legeay
Modérateur
Lieu: Janzé
Date d'inscription: 25-10-2010
Messages: 1474

Re: quels sont les meilleurs objectifs pour la photo nightscape ?

Wah ! Quel travail !
Tu gagnes le titre du "plus gros post" big_smile !
En tout cas, merci beaucoup, car c'est très riche et complet !

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#5 22-03-2020 10:12:45

pascal_gouraud
Modérateur
Lieu: Le Haut Pontais - JANZE
Date d'inscription: 24-10-2010
Messages: 369

Re: quels sont les meilleurs objectifs pour la photo nightscape ?

Merci à tous!!
je craignais un peu que ce soit rébarbatif!!!

>>> petit complément sur les différents scores :
La clé des scores est bien lié à la multiplication des 3 valeurs :
Surface réelle de la Lentille en entrée X Surface Angulaire couverte par le capteur (ou par une zone du ciel spécifique) X Temps de pose

Le score 1 (sans suivi) dépend totalement des 3 valeurs, car elles sont toutes différentes selon la focale, le diamètre réel et le temps de pose max. 

Le score 2 (sans suivi) dépend de la surface réelle de la lentille d'entrée et du temps de pose max...la surface angulaire est la même pour tous car elle correspond au champ de la zone du ciel sur lequel on désire faire la comparaison. par contre éviemment selon la taille de la zone, une focale sera plus adpatée qu'une autre...si on cherche un grand champ, il faudra privilégier les objectifs à courte focale (entre 14mm à 35mm) et si on désire se focaliser sur une région du ciel, soit une constellation, ou portion de constellation avec quelques grandes nébuleuses, là il faudra chercher les focales plus longues de 50mm à 70mm pour une constellation, et de 100mm à 200mm pour une zone plus restreinte comme la région de M42 et de la tête du cheval.

Le score 3 (avec suivi) dépend de la surface réelle de la lentille d'entrée et de la Surface Angulaire couverte par le capteur... le temps de pose de 30 secondes est le même pout tous...si on fait varier le temps de pose, en le doublant par exemple, on double la quantité de lumière.

Pour un même temps de pose, la quantité de lumière collectée par toute la surface du capteur est de 10% supérieur pour un 85mm F1.4 comparé à un 35mm à F1.4 (différence de scoring de 10%). Par contre le champ couvert est beaucoup plus grand pour le 35mm (38x54 degré au lieu de 16x24degré).

Le score 4 (avec suivi) dépend uniquement de la surface réelle de la lentille d'entrée, car on a pris un temps de pose identique.
la surface angulaire est la même pour tous car elle correspond au champ de la zone du ciel sur lequel on désire faire la comparaison.
si on fait varier le temps de pose, en le doublant par exemple, on double la quantité de lumière.

En reprenant l'exemple du 85mm F1.4 et 35mm F1.4, la différence de scoring est de 423/72=5.89 au bénéfice du 85mm.
cela est bien égal au ratio des surfaces d'entrée = (60,7/25)²= (2.428)²=5.89
Par contre en termes de détails et de lumière collectée, le 85mm pour la zone de 4 degré va générer une image de 990 pixels de coté comparé aux 408 pixels de coté pour le 35mm.

Sans considérer la différence d'agrandissement du à la focale, pour obtenir la même quantité de lumière dans un 85mm à F1.4 par rapport à un 300m à F2.8, il faudra poser X3.11 plus, soit par exemple dans ce cas, un temps de pose = 3.11x30 = 93.3 secondes.
Par contre on aura toujours la même différence d'agrandissement entre les 2.

Finalement, comme le diamètre réel d'entrée d'un objectif est variable selon l'ouverture choisie, si on se donne une pleine ouverture, pour capter le maximum de lumière, l'élément majeur est bien la surface colletrice de lumière.

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