About the calibration of blue spectral domain

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About the calibration of blue spectral domain

Postby Christian Buil » Wed Aug 29, 2018 6:54 pm

The impact on the spectral profile of the atmospheric transmission is discussed, also the atmospheric chromatism when the slit is narrow. The chromaticism effect is particularly strong in the blue and UV parts of the spectrum (the visible image of the star at the focus of the telescope is into the slit during guiding, but the blue and more, the UV part, is out, especially at low angular elevation and for a 90 deg. paralactic angle). Experimental form of the function to correct the atmospheric chromatism is presented, but very complex to establish by an analytical equation. The definitive solution is the use of an efficient ADC... or calibrate by using a well know nearly reference star (the classical solution).


L'usage d'un spectrographe tel que UVEX, plus particulièrement destiné à l'observation de la partie bleu et ultraviolette du spectre (mais pas seulement), met en exergue des problèmes d'étalonnage, souvent considérés comme négligeables en travaillant au centre de la partie visible du spectre.

Voici d'abord un premier exemple réalisé avec UVEX en positionnant l'image de l'étoile (gamma Cas) au centre d'une fente photométrique. Comme celle-ci est très large (230 microns), l'intégralité du flux spectral focalisé au foyer du télescope entre dans le spectrographe. J'ai fait 3 séries de spectre de l'étoile correspondant à des hauteurs au dessus de l'horizon (élévation) différentes. Voici le résultat dans le graphe de gauche :

Image

On devine que l'écart entre les 3 spectres est lié à la transmission atmosphérique, les rayons bleus étant plus abordés que les rayons rouges. Sur le graphe on a tenu compte de la transmission atmosphérique théorique (pour les élévations considérées), transmission calculée avec l'outil intégré dans le logiciel ISIS. La procédure est particulièrement efficace : les trois spectres se superposent très bien après prise en compte de l'atmosphère. Et ceci est vrai y compris dans l'UV, ce qui est très satisfaisant. Voici les courbes de transmission atmosphériques relatives calculées correspondant à cet exemple :

Image

Maintenant, je position l'image de gamma Cas au centre de la fente de 23 microns (la procédure standard pour tout le monde), et on recommence :

Image

Surprise, l'écart entre les 3 spectres ainsi obtenu (à gauche) est considérable, pour le moins ! Le fait de corriger le différentiel de transmission atmosphérique (à droite), améliore la situation, mais marginalement seulement.

Il y a autre chose. C'est autre chose est le chromatisme atmosphérique. L'atmosphère agit comme un prisme, et disperse spectralement l'image de l'étoile, d'autant plus quelle est basse sur l'horizon. Pire, les rayons bleu et UV sont bien plus déviés que les verts et rouges. Comme on guide sur une image de l'étoile en utilsant les rayonnement visible, une partie de l'image de l'étoile sort de la fente. Les rayons correspondants sont bloqués, bleu et UV ici, d'où une très forte perte de signal dans cette région du spectre. L'importance de cet effet dépend aussi de l'orientation de la fente par rapport à l'horizon (maximal si la fente est parallèle à la ligne d'horizon). Cette orientation est donnée par l'angle parallactique (le paramètre P dans les figures).

Un test spectaculaire consiste à calculer le rapport entre le spectre numéro 1 (étoile basse) et du spectre numéro 3 (étoile haute dans le ciel) :

Image

J'ai aussi calculé les rapport 2/3 et 3/3 (ce dernier vaut 1 bien sur). A gauche le rapport brut, sans aucun traitement. Il est intéressent de constater que la courbe obtenu est monotone, très régulière. Elle traduit de fait purement l'effet du chromatisme atmosphérique qui est une fonction basse fréquence. A droite, j'ai fait un lissage qui permet d'éliminer le bruit.

Maintenant, nos trois spectres (corrigés de la transmission atmosphérique) en appliquant cette correction chromatique, c'est le graphe à droite :

Image

La superposition est quasi parfaite, ce qui indique au passage un bon comportement dans le temps de l'observation du prototype UVEX2 testé.

On voit la criticité de bien prendre en considération la transmission atmosphérique, mais aussi le chromatisme atmosphérique ! Faute de disposer d'un correcteur de dispersion atmosphérique (il faudra bien un jour fabriquer un ADC pour la spectrographie à l'usage des amateurs... !), il faut essayer de calculer les courbes de corrections. Relativement facile pour la transmission, bien plus complexe pour le chromatisme. La formule analytique est bien difficile a établir, avec de nombreux paramètres. On peut aussi essayer de créer des abaques, mais il en faut énormément pour couvrir toutes les configurations.

On peut encore essayer de guider sur l'image bleu/UV en mettant un filtre bleu devant la caméra de guidage (mais perte de flux de guidage, pas correct) ou en faisant un offset en anticipant la position de l'image bleu pour la mettre dans la fente. Mais ce n'est qu'un palliatif grossier.

On peut encore se limiter à observer les étoiles à un angle parallactique faible (au méridien) ou tourner tout le spectrographe pour orienter la fente (délicat pour le guidage).

Enfin bien sur, il y a la technique consistant à observer une étoile étalon proche de la cible. On obtient d'un coup les deux courbes d'étalonnage (mais sans faire le distinguo, attention au type spectral de l'étoile de référence). C'est un peu lourd, mais assez satisfaisant. On n'insistera jamais assez sur l'intérêt de ce type d'étalonnage si on veut faire un travail de haute qualité.

Vous pourriez dire que cela ne concerne que les observations extrêmes, comme celle faite avec UVEX dans cet exemple, mais remarquer que les problèmes sont déjà présent autour de 4000 A. Les spectres obtenus avec des spectrographes comme Alpy600 ou autres sont donc concernés...

Le graphe ci-après montre la sommation des trois spectres corrigés :

Image

Noter le très bon rapport signal sur bruit à 3400 A. Reste à expliquer (et traiter) les structures vaguement haute fréquences dans l'UV, qui semblent être d'origine instrumentale (AC)...

Christian
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Francois Cochard » Thu Aug 30, 2018 6:52 am

Christian,
Démonstration impressionnante - j'ai bien noté (il y a déjà un moment) le besoin d'un ADC (:>).
Il y a tout de même une chose que je ne comprends pas bien ici : tu fais comment pour calculer l'effet du chromatisme ? C'est purement théorique en modélisant une étoile affectée de chromatisme passant par une fente de 23µ ? C'est pas trivial comme calcul... tu nous en dis plus ?
Amicalement,
François
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Vincent Bouttard » Thu Aug 30, 2018 7:34 am

Effectivement, Christian, les effets combinés de la transmission atmosphérique et du chromatisme atmosphérique sont très impressionnants.
La création d'un abaque pour chaque instrument serait un plus pour le traitement, en s'assurant que la fente est bien toujours dans la même position par rapport à l'horizon lors de chaque prise de spectre (un niveau à bulle sur l'alpy600, par exemple ?). Ca paraît très fastidieux. Ca poserait aussi sans doute d'autres problèmes plus pratiques (et je ne parle même pas de l'automatisation d'un tel montage...). Tu as du boulot, François, pour nous faire un ADC motorisé ! :)

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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Paolo Berardi » Thu Aug 30, 2018 12:36 pm

Christian, what a huge step toward the UV! An unexplored field with new challenges...

Very interesting analysis.

Could be helpful the ZWO Optical model (AR coating window down to 3500A, 94%)? Waiting for a specific one for spectroscopy by François... ;)

https://astronomy-imaging-camera.com/product/zwo-adc

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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Michel Verlinden » Thu Aug 30, 2018 3:13 pm

Super boulot, Christian ! Merci !
La philosophie de l'UVEX est quelque peu bousculée par ces effets atmosphériques, et pour les compenser optiquement sur ce spectrographe, un AOD avec un matériau non absorbant dans le proche UV doit être sélectionné. L'ADC de Pierro Astro MKIII (Fused Silica) est désigné pour laisser passer le NUV avec un très bon rendement ! Paolo, le modèle de ZWO est à base de BK7, n'est-il pas un peu juste pour l'UVEX ? Après, il n'est pas sûr que les corrections seront de bonne qualité, à tester.
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Amicalement,
Michel
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Christian Buil » Thu Aug 30, 2018 7:52 pm

François, note bien que l'effet du chromatisme est ici uniquement déduit expérimentalement. Comme je l'indique dans le texte, c'est vraiment à mon avis quasiment impossible d'établir une formule analytique universelle. Les paramètres sont nombreux : largeur de fente, focale télescope, géométrie de prise de vue... Mais on peut toujours y réfléchir, c'est un joli problème d'optique et de géométrie...

Michel, la plupart des ADC. (économiques on va dire) sont impropre à la spectrographie car ils ne fonctionnent qu'avec un faisceau très fermé (disons f/30 - f/50) et pour le planétaire donc. Le problème vient de l'astigmatisme produit par les prismes simples qui les composes. Avec un faisceau ouvert à f/5-f/10, le résultat est catastrophique.

Il faut développer un ADC qui est composé d'un assemblages de deux groupes de prismes qui donne une déviation moyenne nulle (prismes collés formant une lame à face parallèle). Les pros utilisent cela, et on trouve de rares produits pour les amateurs. Il faut aussi en effet des verres correct par leur transparence si on veut aller chercher l'UV. C'est tout de même pas une montagne à réaliser et un accessoire qui peut s'aérer bien utile pour les amateurs.

Noter encore que l'usage d'un télescope alt-azimutal relaxe pas mal les difficultés, le spectrographes étant toujours correctement orienté par rapport à la fente (l'axe long est mis perpendiculaire à l'horizon, et on ne perd plus de flux UV, bleu, vert...). La formule alt-azimutal est sous utilisée par les amateurs, alors qu'en spectrographie elle a de grands avantages.

Pour le moment, je pense faire des manips en orientant le spectro toujours de la même manière par rapport à l'horizon en utilisant la technique du niveau à bulle (une sorte de rotateur de champ manuel !).

Christian
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Robin Leadbeater » Fri Aug 31, 2018 10:43 am

While we are wishing for things, I think I would wish for an image slicer. Then we could operate our narrow slit spectrographs always in wide slit mode and all the flux calibration problems go away. (Except for some increase in sky background)

Cheers
Robin
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Robin Leadbeater » Fri Aug 31, 2018 10:58 am

Dithering. (scanning the star across the slit) is another potential solution, though with loss of light. My chromaticity problems (and errors in radial velocity) reduce when my guiding is poor.

Robin
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Christian Buil » Sun Sep 02, 2018 10:21 pm

Test of an (equivalent) Alt/Az acquisition in conjunction with a long slit spectrograph. The improvement of spectrophotometric performances is dramatic.


Voici le résultat d'un test important réalisé la nuit dernière. Il s'agit d'obtenir le spectre, avec une fente étroite, de la même étoile gamma Cas, à 40° au dessus de l'horizon environ, en utilisant le spectrographe (UVEX) attaché normalement au télescope d'une part, en tournant le spectrographe (dans le coulant de 2 pouces) pour que la fente soit orienté (approximativement) perpendiculairement à la ligne d'horizon (axe long vertical) d'autre part. On compare avec les profils obtenus avec le profil normalement attendu (pris au travers d'une fente photométrique large) :

Image

L'erreur spectrophotométrique est considérablement atténuée en mode "AtlAz". On montre ici, de manière définitive à mon avis, la supériorité des montures AltAz par rapport aux montures équatoriales, outre le fait que les AltAz sont plus stables (bien sur, double motorisation nécessaire cependant, mais aujourd'hui il y a de bonnes solutions mécaniques),Si en plus on a un foyer coudé, comme l'imagine Vincent Boutard sur un autre fil, c'est proche de la perfection !

Noter que dans mon résultat, il y a encore un petit écart entre le spectre attendu et le spectre Alt/Az. Le rapport des deux est une droite quasi parfaite. JKe n'ai pas l'origine de cela : peut être une erreur sur l'angle (constant sur la durée de la pose), un élargissement haut/bas du spectre (qui ne devrait pas exister avec un télescope à miroir)... Pour être complet, il faudrait compléter avec la méthode consistant a utiliser une étoile de référence proche de la cible pour calibrer le chromatisme atmosphérique. Mais je soupçonne que cette dernière technique (classique) est moins précise (tributaire de la qualité du guidage, du type spectral...) et un peu plus lourde à mettre en oeuvre en routine par rapport au Alt/Az.

En AltAz, dès lors que l'on guide sur l'étoile cible, la rotation de champ typique du AltAz n'est pas un problème (c'est la situation la plus générale). Si on guide sur une étoile dans le champ qui n'est pas la cible, la rotation de champ se fait sentir. Mais à mon avis, il n'est pas très difficile d'écrire un formalisme qui ajuste la consigne de guidage pour que l'étoile cible reste sur la fente (un bon problème de math et de trigonométrie sphérique, assez trivial je pense si on le traite en première approximation). Ensuite, il faut souhaiter que les bons logiciels de guidage implémentent une telle fonction (genre Prism, etc).

On peut aussi utiliser un vrai rotateur de champ mécanique, mais c'est plus cher.

Remarquer qu'il est possible de bénéficier de l'avantage AltAz indiqué ci-avant sur une monture équatoriale en tournant manuellement le spectrographe autour de l'axe optique comme je l'ai fait, en mettant une motorisation intelligente pour faire cette rotation, ou encore en utilisant un rotateur optique dans le faisceau (lui même motorisé, pas trop dur à faire).

Christian
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Re: About the calibration of blue spectral domain

Postby Michel Verlinden » Wed Sep 05, 2018 5:38 pm

Merci Christian, ta maîtrise des sujets d'astronomie est impressionnante !
Un ADC utilisant des fluides a aussi été expérimenté: http://spie.org/newsroom/4756-fluid-atmospheric-dispersion-corrector?SSO=1
Ce type de solution pourrait constituer une alternative judicieuse à un système de 2 paires de prismes motorisée. Mais je n'ai pas trouvé de publication plus récente, est-ce abandonné ?
Michel
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