A modification for improve eShel spectrograph

Design, construction, tuning of spectroscopes
Information and discussion about softwares (telescope remote, autoguiding, acquisition, spectral processing ...)
Post Reply
Robin Leadbeater
Posts: 1926
Joined: Mon Sep 26, 2011 4:41 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Robin Leadbeater »

Christian Buil wrote: This is not yet real time spectrography, but using an Alpy600 spectrograph for example can approach it. Here we must adapt the software to acquire high-speed parts of images, to filter the noise optimally, to select and recenter the live spectra... If we add the possibility to display direct true color (use of color CMOS), we have a great teaching tool for spectrography!. This is my next job...[/i]
A rival for Tom Field's RSpec ;-)
http://www.rspec-astro.com/features/

Perhaps this is fair as RSpec already borrowed many ideas from Visual Spec

Cheers
Robin
LHIRES III #29 ATIK314 ALPY 600/200 ATIK428 Star Analyser 100/200 C11 EQ6
http://www.threehillsobservatory.co.uk
Andrew Smith
Posts: 321
Joined: Fri Sep 30, 2011 12:23 pm

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Andrew Smith »

It will be interesting to see what high cadence observations of even bright well known stars will show. Similar to your "chance" observation of a T Tauri star if I remember correctly.

Regards Andrew

PS Here it is http://www.spectro-aras.com/forum/viewt ... f=22&t=520
Christian Buil
Posts: 1431
Joined: Mon Sep 26, 2011 6:59 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Summary: More about improvement tests of the eShel spectrograph in the blue spectral domain. Definitely, the optical transmission of Samyang 85mm and 135mm lenses do not work in the deep blue (use of special opaque lenses in the UV or molded plastic?). I tested a Canon 135 mm f/2 (L series), with a much higher transmission, but unfortunately with a superior chromatic aberration (refocusing necessary to capture the UV region). My actual current limit with eShel is 3850 A (note the use of a UV optimized UV fiber and also the correct QE (and readout noise) performance of CMOS camera ASI1600MM, especially in the blue part of the spectrum). Some examples of star spectra are given.


Poursuite des tests d'amélioration de la performance du spectrographe eShel dans le bleu..

J'ai échangé l'objectif Samyang 135 mm f/2 par un bon vieux Canon 135 mm f/2 que j'avais dans un coin de tiroir (j'ai une assez grosse collection d'objectifs ;-)). Voici le spectre échelle 2D global du ThAr pour des deux configurations (caméra "grand" format ASI1600MM) :

Image

Le déficit de transmission optique dans l'UV du Samyang 135 mm f/2 (nota: idem pour le Samyang 85 mm f/2) est bien visible à l'oeil nu. En contrepartie, le Samyang permet de capter un spectre net jusqu'à l'ordre 57 en une fois (limite vers 3950 A), alors que le chromatisme du Canon est nettement plus marqué. Ce dernier n'est raisonnablement utilisable que jusqu'à l'ordre 53 (4250 A) à cause de l'aberration optique qui l'affecte lorsqu'on cherche à acquérir en même temps le VISIBLE et le BEU.

J'ai refait des mesures de transmission des optiques. Voici le comparatif Samyang 135 / Canon 135 mm :

Image

Le Samyang transmet environ 9 fois moins de flux à 3900 A que le Canon. Le Samyang offre une image bien plus piquée, mais fait barrage à la lumière. Vraiment dommage !

La même comparaison pour le Samyang 85 mm et le Canon 85 mm :

Image

Le Samyang 85 mm f/1.2 est virtuellement opaque à 3900 A. Ce n'est définitivement pas le type d'optique à employer si on vise l'UV. Ce défaut ne peut être attribué aux anti-reflets (ou que très partiellement). On peut penser que Samyang utilise des verres absorbant dans le bleu profond comme le SF11, où même peut être la technologie du plastique moulé (molded plastic) comme matière pour certaines lentilles, ce qui peut aussi expliquer l'absorption dans le bleu.

A tout prendre, un objectif comme le Canon 135 mm f/2 (série L) est plus satisfaisant, mais au prix fort. Pour saisir l'UV avec cet objectif actuellement il faut se résigné à effectuer une focalisation spécifique pour cette partie du spectre :

Image

Dans ce cas, on retrouve la performance en finesse spectrale du Samyang dans cette partie du spectre, on peut même arriver raisonnablement à l'ordre 58 (3890 A), avec bien sur, un signal bien plus élevée, cela ce voit bien dans l'image ci-dessus.

Voici quelques éléments de comparaison entre les configuration Samyang et Canon (refocalisé), par exemple sur l'étoile (Be) psi Per :

Image

Le rapport signal à bruit vers 4000 A est nettement supérieur pour le Canon et la limite dans le bleu est poussée à 3850 A, ce qui constitue mon record avec le spectrographe eShel (temps de pose de 16 x 300 secondes).

Une autre exemple de comparaison sur l'étoile (Be) omega Ori (temps de pose de 8 x 300 secondes avec le Canon 135 mm) :

Image

Noter que tout ceci est possible car j'utilise une fibre optique optimisée pour l'UV. Noter encore que j'utilise le capteur CMOS de la caméra ASI1600MM. J'ai refait des mesures un peu fine du rendement quantique relatif entre la caméra CCD ATIK460EX et la caméra ASI1600MM :

Image

Vers 3900 A, la performance des deux capteurs est fort proche, le CMOS Panasonic n'a pas à "rougir", d'autant plus que le bruit de lecture de ce dernier est plus plus petit.

Pour le plaisir, une petite collection de spectre acquis avec cette configuration eShel + Canon 135 mm f/2 + ASI1600MM (le télescope est un Richey-Chrétien de 0.25 cm utilisé directement au foyer f/8 (pas de réducteur)). Par exemple, l'étoile 28 Tau (pose 12 x 300 s) :

Image

L'étoile eta Tau (toujours une Be - temps de pose de 15 x 90 secondes) :

Image

L'étoile gamma Cas (Be) :

Image

L'étoile plus classique gamma Peg :

Image

La plus brillante :

Image

Une étoile bien plus froide et faible :

Image

Noter les raies H et K du Ca II bien marquées.

Christian B
Hubert Boussier
Posts: 156
Joined: Fri Aug 17, 2012 12:55 pm

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Hubert Boussier »

Bonjour Christian

"Pour saisir l'UV avec cet objectif actuellement il faut se résigner à effectuer une focalisation spécifique pour cette partie du spectre"

En somme, en inclinant le capteur de ta caméra au moyen d'une bague de tilt, tu pourrais peut être arriver à agrandir la zone où le spectre est bien focalisé.

Hubert
Olivier GARDE
Posts: 1243
Joined: Thu Sep 29, 2011 6:35 am
Location: Rhône Alpes FRANCE
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

Hubert,

Je ne suis pas assez calé en optique pour savoir si ta solution peut ête envisageable sur le spectro eshel en particulier, mais si c'est le cas se serait effectivement une très bonne solution, par contre pas très pratique à mètre en oeuvre car déjà la focalisation de l'optique sur la CCD est très sensible, cela se joue vraiment au 1/10ème de millimètre en rotation de la bague de mise au point, alors pour la partie tilt du support que tu envisages, il faudrait vraiment une solution mécanique très précise sans jeux.

Christian,

Il me semble que la solution proposée par Hubert a été utilisé sur le spectro Espresso que l'on est allé voir à l'observatoire de Genève, sans compter qu'ils avaient 2 caméras, l'une pour la partie rouge du spectre l'autre pour le bleu.
LHIRES III #5, LISA, e-Shel, C14, RC400 Astrosib, AP1600
http://o.garde.free.fr/astro/Spectro1/Bienvenue.html
Christian Buil
Posts: 1431
Joined: Mon Sep 26, 2011 6:59 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

A moins que la formule optique soit prévue pour cela (un plan de focalisation incliné par rapport à axe optique de manière systématique en fonction de la longueur d'onde dans une partie du spectre au moins (Expresso s'en doute)), il n'est pas très rentable d'effectuer cette inclinaison. La courbe chromatique (le point de meilleure image en fonction de la longue d"onde) possède effectivement une forme plutôt parabolique (surtout du coté bleu), pas simple à faire épousée par un plan, même si on incline celui-ci. On peut avoir l'impression que l'on améliore une partie du spectre, mais on détériore une autre (il faut trop incliner pour le bleu et c'est alors le rouge qui est flou). C'est un compromis très mou, pas vraiment rentable. A moins d'utiliser des détecteurs à surface courbe (non plane, pas courant du tout) ce n'est pas bon. Faut travailler sur la qualité optique avant tout (il y a une action actuellement sur le doublet collimateur du eShel).

Christian
Christian Buil
Posts: 1431
Joined: Mon Sep 26, 2011 6:59 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Sur un objet relativement faible, la symbiotique AX Per, exemple de spectre eShel2 (objectif Canon 135mm f/2 L) réalisé en deux fois, avec une focalisation spécifique dans le visible, puis une focalisation dans l'UV, les deux parties étants ensuite accolées :

Image

Image

Image

Image

C'est bien sur pas idéal à faire car un peu lourd à l'observation, mais bon, pour des tests...

Christian
Christian Buil
Posts: 1431
Joined: Mon Sep 26, 2011 6:59 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

For give an idea on faint object observation: comparison of two AX Per 2D spectra :

From François Teyssier - C14 telescope (D=356 mm) + standard eShel + ATIK460EX CCD camera (bin 2x2) - one shot 600 seconds exposure:

Image

From Christian Buil - RC10 (D=254 mm) + modified eShel + ASI1600MM CMOS camera - 4 x 300 seconds exposure (total = 1200 seconds for compensate the surface area difference of the two telescopes i.e. a constant flux comparaison):

Image

The signal to noise ratio of Francois image (CCD) appear significantly better compared to my image (CMOS), especially in the red-green region. Fo this example, the Francois configuration appears superior and the CCD overcomes the CMOS.

The superior noise at the borders of ASI1600MM image is the consequence of a photon noise associated to a chip electroluminescence problem that becomes significant for faint object (the problem seem fixed on the Atik Horizon camera - TBC). For information quantum efficiency near Halpha is 48% for the CCD detector and 38% for CMOS detector.

Now, the comparison of blue region spectral profile. Total exposure time : 4800 seconds (C14 telescope) for François, 6000 seconds (RC10 telescope) for me.

Image

Image

Again, the François spectrum is (a little) better, but I explore a more far UV region (thanks to the modified eShel - UV fiber + Canon 135 mm f/2 and equivalent UV quantum efficiency for the two detectors).

Christian B
Andrew Smith
Posts: 321
Joined: Fri Sep 30, 2011 12:23 pm

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Andrew Smith »

Hi Christian, is you last comparison with François data completely fair?

While you adjusted for aperture you did not appear to adjust for resolution with François's data binned 2x2 and the small er native pixel size of the CMOS camera.

How does the S/N compare at a similar spectral resolution?

What would be the result of using more sorter exposures with the CMOS camera? Would it reduce the luminescence issue and better exploit the lower read noise.

Regards Andrew
Christian Buil
Posts: 1431
Joined: Mon Sep 26, 2011 6:59 pm
Contact:

Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Andrew,

This type of comparison is always difficult to do and I avoid giving too many numerical values. The comparison is more qualitative than quantitative.

However, this comparison is fair I think.

First, (for the image) I take into account the surface ratio of the mirrors (precisely a ratio of 1.96, close to 2) and I adjust exposure time is the same way.

Second, the effect of turbulence is similar (the seeing for François is 2.5", for me 3.5", but the difference is composed by the focal length of the considered telescopes).

The resolution power is identical in both cases (R = 11000).

The sampling is very different (the base of the spectrograph is the same, eShel, but the pixels are not of the same size, 9.08 microns vs 3.8 microns, and the camera lenses are not identical, focal length of 85 mm vs 135mm focal length The sampling ratio is (9.08 / 3.8) x (135/85) = 3.8. In my image (ASI1600MM) I applied a 4x4 digital binning, close to the sampling gap.

Concerning the luminescence problem is not fixed if we adopt a shorter exposure time.

The principal source of noise for the ASI1600MM is the temperature - It would be excellent to be able to cool at -30°C to lower the dark current (currently -20°C). Non-Gaussian noises are also significant (I reduce them by taking a median filtering 3x3 or 5x4 on the original images, but this can add a structural noise, fortunately limited by the initial strong sampling (small pixels, long focal length of the camera objective).

Christian
Post Reply