Filtres en astrophotographie : RGB et Narrowband

En astronomie, les filtres jouent un rôle fondamental : ils permettent d'isoler des portions précises du spectre électromagnétique pour mieux révéler ce que l'œil, et même le capteur, ne voit pas spontanément. Selon l'objectif visé, leurs applications varient considérablement.

Les usages les plus courants incluent la réduction de la pollution lumineuse, qui masque les objets faibles du ciel profond depuis les zones urbaines, ainsi que l'isolation de raies d'émission spécifiques produites par des nébuleuses gazeuses. Ces raies étroites, notamment l'hydrogène-alpha (Hα), l'hydrogène-bêta (Hβ), l'oxygène ionisé deux fois (OIII) et le soufre ionisé une fois (SII), correspondent à des transitions atomiques précises et révèlent des structures que les filtres large bande ne capturent pas. On utilise également des filtres rouge, vert et bleu (RVB) pour reconstituer une image en couleurs naturelles à partir d'une caméra monochrome, en combinant les trois acquisitions en post-traitement.

Ces mêmes canaux peuvent être réassignés librement pour produire des palettes dites « fausses couleurs ». La plus connue est la palette SHO, popularisée par le télescope spatial Hubble, qui attribue le SII au rouge, le Hα au vert et l'OIII au bleu. D'innombrables autres combinaisons sont possibles, chaque palette mettant en valeur des phénomènes différents dans le même champ stellaire.

Boris Irissou - SHO VS RGB entre la nébuleuse de la tulipe et l'éclipse solaire d'avril 2024 - Tout droits réservé 2024

Deux grandes familles de filtres

Pour comprendre pourquoi certains filtres sont préférés à d'autres, il faut s'intéresser à leur principe de fonctionnement. Il en existe deux grandes catégories.

Hannes Grobe -Filter KB20 - License CC BY 3.0 2008 - Wikimedia.org

Les filtres à absorption reposent sur la propriété de certains matériaux, verres teintés, gels optiques, à absorber une partie du spectre tout en laissant passer le reste. Leur principal avantage est leur faible coût de fabrication et leur insensibilité à l'angle d'incidence de la lumière : peu importe sous quel angle le rayon arrive, la réponse spectrale reste la même. En revanche, leur transmittance dans les longueurs d'onde utiles est souvent limitée, et leur transition entre bandes passantes et bandes bloquées est progressive plutôt qu'abrupte. Ils perdent donc inévitablement une portion de la lumière qu'ils sont censés laisser passer, et peinent à isoler des bandes très étroites. Pour ces raisons, ils sont peu utilisés en astrophotographie.

Eric Magnan - Dichroïc mirror used in 2014 at JQI, UMD. - License CC BY-SA 3.0 2014 - Wikimedia.org

Les filtres dichroïques, aussi appelés filtres interférentiels, fonctionnent selon un principe radicalement différent. Plutôt que d'absorber la lumière, ils la séparent : les longueurs d'onde souhaitées sont transmises, tandis que les autres sont réfléchies. Aucune énergie n'est dissipée sous forme de chaleur, ce qui les rend particulièrement efficaces et stables thermiquement. Ce comportement est obtenu par la déposition successive de dizaines à centaines de couches ultra-minces de deux matériaux transparents alternants, généralement des oxydes métalliques, sur un substrat de verre. À chaque interface, une fraction de la lumière est réfléchie. Ces réflexions interfèrent entre elles de façon constructive ou destructive selon la longueur d'onde : les unes s'annulent, les autres se renforcent. En ajustant précisément l'épaisseur de chaque couche, on peut sculpter la réponse spectrale avec une grande liberté.

Le résultat est remarquable : une transmittance pouvant dépasser 95 % dans la bande utile, une coupure très abrupte entre zones transmises et zones bloquées, et la capacité de réaliser des filtres à bande extrêmement étroite. Les filtres « narrowband » les plus pointus ne laissent passer que 2,5 nm de spectre, soit une fenêtre spectrale infime, capable d'isoler une raie d'émission unique au milieu du fond de ciel. À l'opposé, les filtres large bande dichroïques permettent de délimiter avec précision des canaux RVB ou d'autres combinaisons spectrales personnalisées.

Leur seule contrainte notable est leur sensibilité à l'angle d'incidence : lorsque la lumière arrive en biais, la bande passante se décale vers les courtes longueurs d'onde, un phénomène connu sous le nom de band shift. Cet effet devient significatif aux forts rapports focaux, où les rayons convergent avec un angle important. C'est pourquoi les filtres dichroïques sont généralement conçus pour fonctionner à un angle précis, soit à 0°, comme les filtres vissés classiques, soit à 45°, comme ceux intégrés dans des systèmes optiques diviseurs. Pour la relation entre le ratio de focale et le shift de la bande spectrale, je conseille de regarder ce site web.