A modification for improve eShel spectrograph

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etienne bertrand
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by etienne bertrand »

Ok merci Christian. C'est vrai que ça marche plutôt bien avec le réducteur 0,63 mais
Je penses aussi qu'un réducteur de focale pour la spectro serait une bonne chose, quitte à s'appliquer au moins bien faire jusqu'au bout.
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

J'ai pu tester avec eShel une fibre d'étalonnage de 200 microns high -OH (origine ThorLab). Le gain constaté sur le signal tungstène et le signal ThAr est de l'ordre de 30% à 400 nm par rapport à la fibre standard. Ce n'est pas négligeable et cela participe à étalonner plus confortablement les spectres dans la partie bleu extrème/UV pris avec cet équipement.

Christian
Francois Teyssier
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Francois Teyssier »

Je suis cette discussion avec beaucoup d'intérêt

Depuis septembre, j'utilise une fibre UV commercialisée par Thorlabs
https://www.thorlabs.com/thorproduct.cf ... ber=M42L05
https://www.thorlabs.com/drawings/cc478 ... CADPDF.pdf
en remplacement de la fibre classique que j'ai cassé

Je suis convaincu de l'intérêt de passer en bin 1. Jusqu'à présent j'utilise la ATIK 460EX en bin 2. Just etrouver un peu de temps pour faire un PNRU en bin 1

Très intéressé par la qualité du Samyang 135 démontrée par Christian

Mais, mon programme d'observation commence à mag 7. La plupart de mes cibles sont entre mag V 10 et 12
Donc, la solution 135 mm et CMOS me paraît peu adaptée dans mon cas

Je vois que Samyang commercialise également des optiques 85 mm (donc pas de changement par rapport à l'actuel montage eshel) apparemment de qualité équivalente au 135 mm

135 mm 1.2 http://samyang.fr/accueil/124-samyang-x ... 80736.html
135 mm 1.4 http://samyang.fr/optiques-photo/8-samy ... as-if.html
Samyang Premium MF 85 mm f1,2 - Coupe optique.jpg
Samyang Premium MF 85 mm f1,2 - Coupe optique.jpg (24.63 KiB) Viewed 8146 times
Question : est-ce que le remplacement de l'actuel canon pourrait avoir un intérêt
Question subsidiaire : 1.2 ou 14. ?



En ce qui concerne le réducteur de focale, j'utilise in giant focal reducer Lumicon 2", mlaheureusement il n'est plus commercialisé
Excellent
lumicon.PNG
lumicon.PNG (228.79 KiB) Viewed 8146 times
François
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Oui, il est possible aujourd'hui de trouver des optiques dans la focale de 85 mm surement plus performantes que le 85 mm Canon de base . Ce dernier est de conception ancienne, avec coup sur des soucis d'économie de la part de Canon - donc on est assez loin de ce qui peux ce faire de mieux de nos jours. En particulier, la démocratisation des verres spéciaux révolutionne l'optique.

eShel est compatible avec des optiques de 85 mm ouvertes à f/1.2 ou f/1.4 - ici pas de soucis.

Personnellement je ne connais pas ces focales Samyang de 85 mm. Seule la version f/1.2 semble posséder des verres spéciaux, ce qui est bon signe pour notre soucis principal, le chromatisme. Le prix est aussi le signe d'un soin particulier de ce coté là, mais on ne peut pas se faire une idée absolue sans tester. D'une manière générale, il faut remarquer qu'il est plus difficile de faire une focale de 85 mm qu'une focale de 135 mm - donc attention - mais j'ai le sentiment que Samyang a mis le paquet ici coté qualité image.

Un soucis potentiel du f/1.2 est qu'il ne possède pas de bague de diaphragme (commande électrique). C'est très fâcheux. Il faut espérer que sans être alimenté, le diaphragme est ouvert au maximum. On peut imaginer cela, mais il y a un risque, ce serait bon de vérifier. Pour l'anecdote, je possède le Canon 85 mm f/1.2 (magnifique, ces optiques sont des monstres)... mais la commande de focalisation est électrique, ainsi que celle du diagramme (il est ouvert sans alimentation). Cela m'a énervé, et je n'ai jamais mis cet objectif sur le eShel (je soupçonne en plus qu'il ne soit pas aussi bien corrigerque cela coté chromatisme). Coté Nikon, la position de repos des diaphragmes mécaniques au repos est fermée...

J'ai comme toi François le ressenti que ce Samyang 85 mm f/1.2 est une alternative et un bon cheval potentiel pour améliorer la qualité image dans le bleu par rapport au Canon, car difficile de faire pire en fait (!!!) (aux réserves émises ci-avant - et bien sur le test optique avant tout). Par rapport au 135 mm, on peut conserver les capteurs "petit" format, ce qui est bien sur intéressent (mais perso, même avec une telle focale je resterais en CMOS ;-)). On peut grignoter un peut en magnitude limite s'en doute grâce a un échantillonnage plus optimal. C'est à tester absolument... En l'état et en attendant, le 135 mm Samyang marche pas mal.

Le Samyang 85 mm f/1.4 est plus rustique (c'est mieux), moins cher, mais je ne pense pas qu'il ai fait l'objet d'autant d'attention coté chromatisme (?).

Noter encore le Sigma Art 85mm f/1.4, qui semble aussi pas mal (verres ED), mais ici encore, pas de commande manuelle du diaphragme. Il faut voir physiquement ces optiques pour analyser cette situation. Et comme toujours, trouver des volontaires pour tester !

Il est certains qu'après une domination de 25 ans des CCD, il est difficile d'imaginer qu'une autre technologie (CMOS) puisse s'approcher (à grande vitesse) et même dépasser les performances usuelles de nos CCD. Le fait est, il faut s'y faire (et je vois poindre dans mon boulot des choses encore plus forte dans ce domaine d'ici, disons 5-6 ans). Moi, je suis passé de l'autre coté. Une chose est sure, la ZWO ASI1600MM (et son équivalent Atik) n'est pas un gadget, et ce n'est qu'un début.

Tu sous-entend François qu'utiliser sur le eShel un 135 mm et un CMOS Panasonic te ferais perdre de la magnitude. C'est possible, mais il est difficile de répondre à cela avec certitude car les paramètres sont nombreux. Par exemple, j'observe personnellement depuis un petite terrasse avec un seeing absolument calamiteux (je vois bien la différence lorsque je vais à l'OHP !). Mais bon, je tente malgré tout de comparer, ce qu'il ne faut pas vraiment faire (!) car une fois de plus, les conditions de mesures ne sont pas semblables à plus d'un titre. Mais bon, ça donne une idée.

J'ai pris sur la base ARAS quelques spectres échelles récent de l'étoile CH Cyg que je met cote à cote (attention à la diversité des diamètres de télescope et aux temps de pose, et bien mauvaises conditions chez moi malheureusement lors de l'observation du 11/10/2017) :

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Le capteur CMOS (avec son 135 mm) n'est pas à la ramasse, donc les choses ne sont pas écrites d'avance... On fait on a l'impression que tout est équivalent en gros coté détectivité dans ce comparatif, alors que l'on a affaire à des configuration instrumentales assez différentes. Je vous laisse juger, mais dans les limites de l'excercice bien sur.

Christian
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

En guise synthèse de ces travaux visant à améliorer la performance du spectrographe eShel dans la partie bleu du spectre, voici quelques exemples de spectres réalisés après ces modifications - des étoiles Be brillantes, 28 Tau :

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Noter la présence bien visible de le la raie K du Calcium à 3993 A, c'était le but premier de la manip - quelques chose d'accessible avec un spectrographe Lhires III par exemple, mais moins évident avec un échelle équipé d'une fibre optique (on voit aussi la raies H, fine et confondue avec Hepsilon). L'étoile 25 Tau, avec un spectre bien moins chargé en raies métalliques et qui tourne plus voie sur elle-même :

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Le joli spectre de la Be psi Per :

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Enfin le spectre bleu/UV de l'étoile V442 And, bien plus faible vers V = 6.8 :

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Bien sur, c'est à présent bien bruité, mais on détecte encore les raies du Ca II. Remarquer que j'emploi ici un télescope de 254 mm à f/8, ce qui est relativement modeste.

Voici le résumé des modifications apportées par rapport à mon setup de départ :

- Utilisation d'une optique Samyang 135 mm f/2.8 à la place du Canon 85 mm d'origine pour gagner en finesse d'image dans le bleu (chromatisme réduit)

- Adoption d'un capteur grand format compte tenu de l'accroissement de la focale de l'objectif. La caméra ZWO ASI1600MM-C refroidie à -20°C est utilisé parque elle n'est pas cher et performante. Malgré la petite taille des pixels (3.8 microns) et le fort sur-échantillonnage (10 pixels par FWHM), le bruit remarquablement bas des CMOS (ici environ 1 électron) associés à un traitement numérique des spectres (filtrage médian), qui valorise le sur-échantillonnage plus qu'en faire un défaut, le système s'avère extrêmement sensible, et concurrence les CCD.

- Utilisation d'une fibre optique optimisée pour l'UV (haut -OH) de 50 microns pour la voie science et collecter ainsi plus de photons dans cette partie du spectre.

- Utilisation d'une fibre haut -OH pour la voie étalonnage (fibre 200 microns) afin de disposer d'un maximum de flux pour les spectres tungstène et ThAr et finalement améliorer l'étalonnage spectral et le SNR dans le bleu

- Adoption d'une lampe tungstène 4700 K fournissant 30% de signal en plus à 400 nm par rapport à une lampe halogène standard 3800 K.

- Exploitation d'un télescope tout miroir (Newton ou Ritchey-Chretien) et suppression du réducteur de focale pour accroitre significativement la transmission optique dans le bleu/UV.

- Optimisation de la réduction des spectres eShel dans ISIS pour valoriser le sur-échentilonnage.

Il y a s'en doute des marges de progression encore (collimateur spectro mieux corrigé, optiques photo plus optimale encore, conception d'un réducteur de focale optimisé spectro, analyse critique de la bonnette eShel en terme de transmission...), mais le chemin accompli est déjà significatif.

Christian B
Francois Cochard
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Francois Cochard »

Bonjour à tous,
Un petit élément complémentaire : il y a quelques mois, j'avais testé un objectif Samyang 85mm F/1.4, pour le comparer au Canon du eShel. Je n'avais pas vu de différence significative - ce qui confirme ce que vous dites plus haut. Je l'ai toujours sous la main... je vais refaire des essais à la lumière des échanges de ces dernières semaines. Par contre, le F/1.2 reste à tester (à tes réserves près, Chrsitian, sur le contrôle du diaphragme).

Amicalement,
François
Hubert Boussier
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Hubert Boussier »

Bonsoir,
Christian a écrit "Un soucis potentiel du f/1.2 est qu'il ne possède pas de bague de diaphragme (commande électrique). C'est très fâcheux"


Si on veut travailler à une valeur de diaphragme donnée et constante, il est assez facile d'y arriver.
Avec un objectif à monture Canon, il faut monter l'objectif sur un boitier Canon, en mode manuel, on règle la valeur du diaphragme et on appui sur le bouton qui ferme le diaphragme (cela sert à juger de la profondeur de champ), le diaphragme se ferme à la valeur sélectionnée. Alors sans lâcher le bouton, on démonte l'objectif du boitier et voilà l' diaphragme est bloqué à la valeur choisie.
Evidemment, s'il faut faire cela plusieurs fois par nuit, cela devient rédhibitoire et c'est fâcheux ..
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Voici un message assez complexe car je déroule le raisonnement pour calculer la performance relative d'un eShel de base (objectif 85 mm et caméra Atik460EX) et d'un eShel(2) équipé d'un 135 mm et d'une caméra ASI1600MM. Il y a pas mal de math (pas trop dure). Pas obliger de lire ça, mais si vous voulez comprendre le mécanisme, il y a pas mal d'informations... (sorry in french)

Cas du eShel 85 mm + ATIK460EX (+ bin 2x2)
-----------------------------------------------------------------

Le rendement quantique est de 50% à 656 nm. Si on suppose que 100 photons arrivent dans l’intervalle spectral équivalent à un pixel de 9.08 microns, ce pixel capte un signal de 100 x 0,5 = 50 électrons. On écrit S = 50 électrons pour notre canal de mesure.

Le bruit de lecture pour la Atik460EX est de 5,5 électrons par pixels. On suppose que l’on binne (agglomère) 7 pixels suivant l’axe spatial pour construire le profil spectral. Le bruit dans le canal de mesure sera donc 5.5 x RACINE(7) = 14.5 électrons. On note N = 14,5 électrons. Je suppose que l’impact du signal d’obscurité est nul pour un temps de pose compris entre 300 et 600 secondes (refroidissement à -20°C -> signal d’obscurité faible)

Le rapport signal sur bruit de la mesure est SNR = S / N = 50 / 14.5 = 3.45


Cas du eShel(2) 135 mm + ASI1600MM
---------------------------------------------------------------------


Le rendement quantique est de 35% à 656 nm. Dans le même intervalle spectral défini pour exprimer le signal avec la caméra ATIK460EX, on observe donc un signal de S = 100 x 0.35 = 35 électrons.

Le bruit de lecture par pixel est de 1.38 électrons. Mais dans ISIS je me permet d’appliquer un filtrage médian dans un kernel de 5x5 pixels, ce qui a pour effet de réduire le bruit. J’ai vérifie que ce filtrage ne modifie par la résolution spectrale et ne génère pas de distorsions dans les raies. C’est le noeud de l’affaire : le filtrage est possible car le spectre est très sur-échantillonné (10 pixels par FWHM environ dans le rouge). Après filtrage, le bruit est ramené à 0,38 électron par pixel (le bruit n’est plus strictement gaussien, mais on peut le calculer avec un écart type sans faire une grosse erreur).

La c’est un peu plus compliqué. A cause la taille des pixels (3,8 microns) et de la focale de l’objectif, 135 mm au lieu de 85 mm, je fait le binning sur 26 pixels. En outre, le spectre est plus étalé suivant l’axe spectral dans le rapport (9.08 / 3.8) x (135 / 85) = 3.8 relativement à la situation de la caméra ATIK460EX (rapport de la taille des pixels et focales).

Pour trouver le bruit dans le canal de mesure et l’équivalent de la caméra ATIK460EX, il faut faire la transformation suivante : N = 0.38 x RACINE(26) x RACINE(3.8) = 3.78

Le rapport signal sur bruit de la mesure est donc : SNR = 35 / 3.78 = 9.2

Dans cette simulation, la version eShel(2) apparait supérieure à la version eShel de base dans le rapport 9.2 / 3.5 = 2.6

En vérité, on ne peut pas considérer le bruit thermique comme nul dans la caméra ASI1600MM avec un capteur à -20°C. Pour une pose unitaire de 420 secondes (cas de mesures réalisées individuelles), j’observe un bruit de 2,01 électrons avant filtrage et 0,48 électron après filtrage. Donc, on a plutôt en considérant le bruit thermique :

N = 0.48 x RACINE(26) x RACINE(3.8) = 4.8

et finalement pour eShel(2) : SNR = 35 / 3.8 = 7.3

La performance de la configuration ASI1600MM + objectif de 135 mm demeure supérieure sur le papier.

On remarque bien la criticité du bruit de lecture en spectrographie, et de fait, l’apport des capteurs tel que le Panasonic CMOS qui équipe la caméra ASI1600MM. C’est aussi ce qui va signer à terme la mort du CCD dans la plupart des applications.

Le calcul fait ici est théorique et approximatif. Même si l’échelle des images et les méthodes de traitement diffèrent, on a bien l’impression que la configuration eShel(2) vaut bien la configuration de base eShel équipée avec une bonne caméra CCD. J’ai l’impression que le petit gain fournie par le CMOS ce voit aussi dans les spectres, mais c’est subtil bien sur.

Par curiosité, j’ai regardé ce que donne une configuration eShel(2') avec un objectif de 85 mm, mais équipé d’un capteur ASI1600MM. Cette fois, je m’impose un filtrage numérique moins vigoureux, avec un kernel 3x3, ceci afin de ne pas abimer le spectre car le sur-échantillonnage est plus faible. Dans ce cas le bruit mesuré sur une pose de 420 secondes est de 0,77 électron.

On fait le binning maintenant sur 16 pixels, ce qui donne :

N = 0.77 x RACINE(16) x RACINE(9.08/3.8) = 4.8

On note que passer d’une focale de 135 mm à 85 mm ce révèle ici être une opération neutre.

Le 85 mm à cependant un intérêt : il est possible d’observer plus loin dans la partie rouge (les Samyang (en tout cas le 135 mm testé), sont très bon dans l’IR), car avec le 135 mm, troncature des ordres. C’est ce qui me ferait basculer du Samyang 135 mm au Samyang 85 mm f/1.2 si ce dernier est bon dans l’UV (avec le regret du fort échantillonnage permis par 135 mm dans la course à la réduction des pseudo-bruits).

Christian
Olivier GARDE
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

A test of the Astro-Physics focal reducer CCDT67, better than the classic Meade or Celestron x0,63 and conform of specification on the Astro-Physics website.
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LHIRES III #5, LISA, e-Shel, C14, RC400 Astrosib, AP1600
http://o.garde.free.fr/astro/Spectro1/Bienvenue.html
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

J'ai refait des mesures en changeant fortement le protocole, à savoir en ne me servant plus d'une étoile comme source de lumière, mais d'un montage sur table consistant à éclairer le système réducteur de focale + fibre via un écran diffuseur illuminé par une lampe halogène à 4700 K. Voici la transmission mesurée du réducteur Celestron :

Image

C'est bien différent des mesures sur étoiles. En fait, le problème est connu : on est ici face à un vieux piège typiquement rencontré en spectro : lorsque le réducteur est en place, une aberration chromatique apparait (on a affaire à un dispositif à lentilles) et dans ces conditions, la taille de la tache image stellaire au bout du télescope dépend de la longueur d'onde. Typiquement, elle s'élargie dans le bleu, et comme la fibre optique elle ne change pas de taille, cette dernière collecte moins de signal dans le bleu que dans le vert ou le rouge, d'où la forte perte de rendement constatée précédemment.

En fait, le réducteur continu a être le responsable d'une  perte de signal dans le bleu, mais pas à cause d'un problème de transmission optique (ou disons que marginalement), mais à cause du chromatisme qu'il génère (ce que l'on ne voit pas avec un télescope tout miroir, sauf une part liée au chromatisme de l'atmosphère elle-même si on n'observe pas au zénith). Cet du zapping d'un effet que j'avais pourtant bien étudié à une époque, qui cause des dégâts lorsqu'on veux faire de la spectrophotométrie de précision. Zut.

Olivier a aussi utilisé une source uniforme pour faire ça mesure du réducteur Astro-Physics (après une tentative pas obligatoirement concluante sur étoile, peut être pour la raison citée précédemment ?). Je possède moi-même le réducteur Astro-Physics. Voici mon résultat :

Image

Je ne retrouve pas exactement celui de Olivier, ce qui montre au passage que la mesure est délicate (l'usage de fibre optique n'est pas idéal). Je pense que Olivier est plus dans le vrai - j'ai l'impression que je sous-estime les transmissions.

Bref, le coating des correcteurs est dédouané pour une large part. En revanche il doit subsister ce maudit effet de chromatisme, surement gênant avec un réducteur lorsqu'on pousse dans l'UV. Le tout miroir reste intéressent dans ces extrêmes du spectre. Affaire à suite.

Christian
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