Question concernant la "magie" du rapport F/D

[psee29]

Bonjour,

Je n'arrive pas à me représenter comment agit le rapport F/D sur la "rapidité" d'un instrument.
Attention, comme ce n'est pas clair dans mon esprit, la question pourra paraitre confuse (mais il parait qu'il n'existe pas de question idiote ).

Considérons donc un instrument de focale F et de diamètre D.
Considérons aussi un appareil qui compte le nombre de photons par unité de temps (appelons cela une caméra).
Pour F/D, disons qu'il y a une quantité Q de photons qui arrivent sur un pixel de la caméra.

Il est dit que le rapport F/D a une importance sur la rapidité de l'instrument. C'est à dire que plus F/D est petit plus Q est grand.
Maintenant, si on ajoute un réducteur de Focale (RdF: une lentille qui permet de réduire la focale d'un instrument.) de 0.5, au même instrument, on divise par 2 le rapport F/D.
Les conséquences sont alors:
- le champ est plus grand (cf image ci-dessous)
- l'instrument est plus rapide (bon j'ai pas vérifié...)

astronomy_tools_fov.png (67.45 Kio) Consulté 2139 fois

Question (oui enfin): vu que le diamètre de l'instrument n'a pas changé, le nombre photons qui entrent dans l'instrument par unité de temps, n'est pas différent qu'on ait ou non le RdF.
Alors comment expliquer qu'une plus grande quantité de photons par unité de temps arrivent sur la caméra (si c'est bien comme cela qu'il faut comprendre) ?
Ou alors j'ai rien compris et c'est du tout comme cela qu'il faut le voir.

Bref qqun peut-il éclairer ma lanterne?

Merci

[John Mc Burn]

Indice: en visuel ça ne change rien

Mais alors, pourquoi en imagerie ça change tout ?

[PLina]

C'est un truc que j'arrive à comprendre avec un objectif photo à focale fixe.

Tu as une focale fixe, donc un grossissement donne.
Si tu fermes le diaphragme, le diamètre diminue, le rapport f/ d augmente. Tu dois poser plus longtemps pour que le même Nbr de photons arrivent sur ton capteur.

A l'inverse si tu ouvre ton diaphragme, ton diamètre augmente, ton rapport fd diminue, plus de photons arrivent sur ton capteur pour la même unité de temps.

Pour un télescope le diamètre est fixe, donc tu modifie le fd en jouant sur la focale.

Plus tu grossis plus tu perd en luminosité.

Je serai bien incapable de te donner la formule mathématique qui donne la relation entre le fd et le Nbr de photons qui arrivent sur le capteur par mm et par seconde.

P.s : super un nv Mak 127 sur le forum

[Papylima]

Perso, je me représente la chose de la façon suivante : tu es au bout d'un couloir (ou d'un tunnel si tu préfères) éclairé à l'autre extrémité par la lumière du jour (ou une autre lumière d'ailleurs...).
Si ton couloir ou ton tunnel est très long, tu vas avoir l'impression d'être complètement dans le noir. Si ton couloir fait 2m, tu vas être inondé de lumière.
Pourtant, le seul paramètre qui aura varié, c'est la longueur du couloir, autrement dit la focale.
C'est pas très mathématique, mais je pense que ça permet assez bien de comprendre le problème.
En fait, c'est une question d'angle, mais je laisse aux vrais scientifiques le soin d'expliquer.

[PLina]

Merci @Papylima j'arrivais à comprendre avec focale fixe et diamètre variable.
Ton image est super pour expliquer l'effet de changement de focale

[clouzot]

Je tente ma chance :

On peut partir du principe que notre Messier 1 nous envoie à chaque instant un nombre fini de photons, qui sont captés à l'entrée du tube du télescope... comme un entonnoir capterait des billes qui tombent.

Maintenant, imaginons qu'on met une caméra sur ce tube : pendant chaque pose, chaque pixel va récupérer un nombre donné de photons. Comme les billes récupérées par l'entonnoir, qu'on mettrait ensuite dans des cases : il y a un nombre fini de billes, il y a un nombre fini de cases, donc chaque case récupère un certain nombre de billes (qu'on peut calculer bien sûr).

Si on réduit le rapport F/D, ça veut dire qu'on réduit la focale. Ca veut aussi dire que notre M1 devient plus petite sur le capteur de la caméra (en photo, on serait en train de dézoomer).

Dans ce cas à focale réduite : M1 n'ayant pas changé, on a toujours le même nombre de photons (ou de billes) qui arrivent à l'entrée du tube, par contre ils sont concentrés sur un nombre réduit de pixels (ou de cases).

Bref : chaque pixel récupère d'autant plus de pixels que la focale est petite, toutes choses égales par ailleurs. Donc pour un même temps de pose, on a plus de signal.

Attention, ça ne marche vraiment que pour les cibles étendues. Pour une étoile, c'est un peu différent !

[Petit Astro]

Voilà une explication imagée assez clair de @clouzot : sinon pour faire une autre analogie, on pourrait se questionner sur pourquoi les clous sont-il pointus et non pas plats ?

S’ils étaient plats, en tapant avec un marteau sur la tête, l’énergie appliquée au contact du clou et de la planche se répartirait sur une plus grande surface. Un gros disque ! On aurait du mal à enfoncer le clou (et on abîmerait ptre la planche au passage voire le clou )
Avec un clou pointu, toute l’énergie se concentre en un point et avec la même énergie appliquée par le marteau, le clou s’enfonce bien plus facilement dans la planche.

Lorsque tu augmentes la focale, ça fait un effet de zoom et les photons se répartissent sur une plus grande surface, ce qui diminue l’intensité (nombre de photons par unité de temps) reçue par un pixel.

Certes ce n’est pas aussi simpliste que cela, car l’échantillonnage, le seein et d’autres paramètres comme le type de cibles peuvent faire mentir cela mais dans nos cas de figure classiques, avec nos lulu / scope, ça permet d’avoir une approche compréhensible du phénomène.

[soulearth]

Ça me fait penser au principe bien connu des saisons. Toute l'année le soleil brille de la même façon. Mais l'hiver la lumière est reparti sur une plus grande surface que l'été. C'est moins intense, il fait moins chaud.

[Tibox]

C'est une question toujours très intéressante, et plusieurs réponses ne sont jamais de trop pour bien comprendre. Même quand on pense avoir compris, un petit rappel ne fait pas de mal

Voici quelques affirmations qui ne demandent qu'à être contredites si nécessaire :
- à diamètre égal il vaut mieux un objectif à focale courte pour "concentrer" le flux de photons de l'objet sur une surface plus restreinte de pixels, plutôt que de "l'étaler" et donc diminuer cette "intensité"/pixel, plus concentré = plus de photons captés par pixel par unité de temps
- l'inverse est bien plus facile à appréhender : à focale identique (taille de l'objet sur le capteur identique), il vaut mieux un plus gros diamètre pour capter davantage de photons par pixel
- mais ça veut dire aussi qu'à taille de pixel identique, avec une plus petite focale on réduit la taille de l'objet sur le capteur, et donc sa résolution
- un 300/1500 est aussi rapide qu'un 130/650. Avec son gros diamètre il va capturer plus de photons, mais avec sa grande focale, l'objet va être énorme sur le même capteur comparé au 130, donc on doit compenser ça en prenant un plus gros capteur pour que l'objet rentre toujours "en entier", augmentant au passage la résolution. A budget illimité, il vaut donc mieux choisir le plus gros diamètre possible, même si la focale augmente proportionnellement, on peut le compenser par la taille du capteur. C'est là que la notion d'échantillonnage est à surveiller avec la taille des pixels qui entre en jeu également ?
- Et je suppose qu'il y a une valeur pivot pour laquelle un f/d plus élevé sera malgré tout préférable s'il est accompagné d'un diamètre conséquent avec le bon choix de taille capteur/taille pixel ?

Sur les 2 dernières affirmations j'ai peur de m'être perdu...

[Djibi]

Hello @psee29
Quand j’ai débuté il y a presque un an le VA et tout ce qui touche à l’AP ce sujet m’a vraiment interpelé, je me disais , « c’est pas logique , y’a une embrouille qq part »
Avec le temps, j’ai recollé les morceaux qui me semblaient incohérents

Et c’est bien vrai, il y a quand même un truc !!! Dans la phrase « en AP seul le rapport F/D compte » il y a des petits caractères en bas de la feuille

Une phrase plus complète serait :
« si je suppose que le ciel est uniforme, alors la quantité de photon reçu par pixel ne dépend que du rapport F/D »


La manière de varier le rapport F/D ne se fait pas du tout avec les mêmes conséquences :
- a focale égale, tu augmentes le diamètre ==> la quantité de photon reçu par pixel augmente l c’est l’effet diamètre classique, tu augmentes la taille de ton entonnoir à photon
- a diamètre égale tu diminues la focale ==> la quantité de photon augmente car la portion de ciel capté par un pixel augmente, autrement dit le gain de photon se fait au détriment de ta résolution

De manière concrète, si je regarde M51 avec un 150/750 et si je regarde avec un 300/1500 avec une ASI533
La quantité de photon reçue pour l’ensemble de M51 pour une capture de 1mn est bien 4x plus importante avec le 300mm (l’effet diamètre) sauf que avec mes 1500mm de focale, M51 sera étalée sur 4x plus de pixels

Maintenant, si je fais un bin2 avec mon 300mm, j’aurai représenté M51 avec autant de pixel qu’avec mon 150/750 en bin1 et chaque pixel aura alors 4x plus de lumière (ou un meilleur SNR suivant comment tu fais le binning)

Le diamètre est donc très important mais comme en CP on est surtout limite par la turbulence, on a moins besoin de monter en diamètre (je ne parle pas du planétaire hein !)

Quand j’y repense le phénomène est similaire en visuel, mais on en parle moins avec le grossissement.
Ton capteur à toi, ton œil, à aussi ses limites. En particulier sa taille, c’est ce qu’on retrouve avec la pupille de sortie
si tu arrivais à avoir un 300mm qui grossit 30x (et donc une pupille de sortie de 10mm) ton œil ne capterait pas tout ! Si tu veux observer à 30x, un 150-200mm suffirait

A++

[Tibox]

Ton explication est limpide, merci @Djibi

Donc si j'ai bien compris, pour une application à mon cas personnel :
Aujourd'hui, j'ai une 385 (1920x1080, px 3.75) et 600 de focale grâce au RdF.
Si demain je passe sur une 533 (3000x3000, px 3.76), et en même temps retire le RdF pour ne plus avoir la coma et vignettage, je vais alors doubler la taille du capteur ok, mais en même temps réduire d'autant le champ visible (car focale 1200). J'ai comparé, ça donne un champ quasi identique entre les deux setups.

Mais conséquence, je vais faire x4 sur le temps d'acquisition. En passant en bin2, je retrouve le temps d'acquisition d'avant, au détriment de la résolution qui passe en 1500x1500 ? C'est bien ça ?

[Djibi]

Hello @Tibox
Tu as expérimenté la difficulté provenant de l’usage d’un réducteur de focale
Un des grands sujets est de mettre un capteur d’une certaine taille et d’avoir en même temps l’image de ton train optique au plan focal qui soit “propre” sur une surface équivalente à celle de ton capteur.

Un RdF, surtout à x0,5 va marcher si ton capteur est tout petit, c’est une excellente méthode pour augmenter la taille de ton champ et la rapidité de ton acquisition à un coût raisonnable

Le prix d’une caméra grimpe très vite avec sa taille, il n’y a qu’à voir le triptyque 533-2600-6200

Sur ton exemple de 533, tu seras bien mieux
la limite que tu risques de trouver au binning c’est que tu ne peux pas être en binning additif en raw14 sur la 533
Ne me demande pas pourquoi mais suivant les modes d’acquisitions, tu es en binning additif ou en moyenne, cela revient au même et à la fin, tu veux surtout améliorer ton SNR, ce n’est donc pas un drame.

en pratique, comme tu peux faire tout ça à posteriori de ta capture, tu fais tes acquisitions en bin1
J’ai essayé et fait pas mal de test sur le binning et je n’ai pas vu de gain suffisant “en direct lors d’une session de VA” pour le généraliser.
En revanche, quand tu auras goûté au gain unitaire, tu n’en changeras pas

[Tibox]

Ah donc la 533 à focale 1200, bien que me donnant un champ équivalent à la 385 à focale 600, me fera quand même perdre de la rapidité d'acquisition ? Je pensais que le binning2 aurait été la solution pour retrouver cette "intensité" lumineuse par pixel, mais ce que tu dis c'est que ça n'est pas possible avec la 533, faute du mode additif ?

En bin1, on est d'accord que je mettrais alors 4x plus de temps pour acquérir le même signal qu'avec la 385+rdf ?
Mais en appliquant un bin2 en moyenne a posteriori je vais augmenter le SNR, ce qui à temps de capture équivalent devrait donner un résultat relativement similaire, c'est bien ça ?

Étant en dobson sans suivi, si j'investis dans une 533, le but c'est d'avoir un rendu beaucoup plus propre (coma, vignettage) mais prendre 4x plus de temps pour imager le même objet/même SNR, c'est beaucoup quand tu dois bouger le tube à la main toutes les 25 secondes

[psee29]

Merci à tous pour vos réponses.
Je crois que la l'analogie de Mr clouzot fait bien comprendre le phénomène (en tout cas moi ça me va)

A propos du binning, est-ce qu'il a un effet sur la "rapidité" et qu'il jouerait le même rôle qu'un RdF (mais sans agrandir le champ) ?
On perdrait alors en définition mais gagnerait en rapidité ?

Dit autrement, si on fait bin2 est-ce que
- j'ai un pixel 4fois plus gros à l'écran mais aussi qui accumule les photons 4fois plus vite
OU
- j'ai juste un pixel 4fois plus gros mais comme les photons seraient comptés par chaque "cellule" (cellule = pixel d'origine) on ne gagnerait rien en "rapidité" ?

J'ai une petite idée de la réponse mais c'est pour confirmation.

[Ubuntu]

Ah donc la 533 à focale 1200, bien que me donnant un champ équivalent à la 385 à focale 600, me fera quand même perdre de la rapidité d'acquisition ? Je pensais que le binning2 aurait été la solution pour retrouver cette "intensité" lumineuse par pixel, mais ce que tu dis c'est que ça n'est pas possible avec la 533, faute du mode additif ?

En bin1, on est d'accord que je mettrais alors 4x plus de temps pour acquérir le même signal qu'avec la 385+rdf ?
Mais en appliquant un bin2 en moyenne a posteriori je vais augmenter le SNR, ce qui à temps de capture équivalent devrait donner un résultat relativement similaire, c'est bien ça ?

Étant en dobson sans suivi, si j'investis dans une 533, le but c'est d'avoir un rendu beaucoup plus propre (coma, vignettage) mais prendre 4x plus de temps pour imager le même objet/même SNR, c'est beaucoup quand tu dois bouger le tube à la main toutes les 25 secondes

@Tibox il y a quand même une donnée importante que tu oublies en suivi manuel: la focale
Deja, si tu passes a 1200mm de focale tu va devoir poser 4X plus.
Mais tu vas aussi devoir descendre tes temps de pose d'un rapport de 2X pour ne pas laisser de trainée sur ton capteur: au final tu verras donc beaucoup moins de détails... et stacker va devenir impossible...
C'est là qu'on voit que sans suivi on est toujours dans un équilibre délicat entre tous ces paramètres...
Pour moi, sans suivi, ça veut dire un F/D proche de 2 avec une focale finale inférieure a 500mm...

[Tibox]

tu va devoir poser 4X plus.
Mais tu vas aussi devoir descendre tes temps de pose d'un rapport de 2X pour ne pas laisser de trainée sur ton capteur

Si j'avais bien pensé au x4 du temps de stacking (et pensais pouvoir le compenser avec le bin2 mais en fait on dirait que non), je n'avais en effet pas pensé en plus à l'impact de la focale sur la vitesse de déplacement de l'objet sur le capteur...
On voit bien que tu es passé par toutes ces étapes avant nous autres . Merci pour l'apport de ton expérience !

Si je veux améliorer mon setup, me reste donc base goto ou table équatoriale, ou changer complètement pour un binôme 130 ou 150 sur eqm35 par ex.
Bon, je vais continuer à m'éclater en dob manuel moi, c'est déjà bien comme ça

[clouzot]

A propos du binning, est-ce qu'il a un effet sur la "rapidité" et qu'il jouerait le même rôle qu'un RdF (mais sans agrandir le champ) ?
On perdrait alors en définition mais gagnerait en rapidité ?

Oui il a un effet, mais pas aussi important que si on avait un pixel de dimensions doubles (ou un réducteur x0.5, ça revient au même).
C'est dû à la statistique du bruit propre du capteur (qu'on pourra essayer d'expliquer...une autre fois)