A modification for improve eShel spectrograph

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Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

I am pleased to present the very latest advances to increase the spectral range covered by the eShel spectrograph. After many tests on various configurations (camera lenses, optical fiber, detectors...), it remained to analyze the collimator lens optimization...

The advance presented here therefore concerns a new collimating objective lens calculated by François Cochard (Shelyak Inst.). The new constructed lens is not a simple achromatic less, but a semi-apochromatic lens, and even apochromatic lens if one considers the complete system. These terms indicate that the chromatism is much better controlled compared to the base configuration, which is essential if one wishes to cover for example the UV spectral range.

For give an idea of the modified eShel performance, I compare some typical configurations on a same target, the Thorium/Argon spectrum.

J'ai grand plaisir de vous présenter la toute dernière avancée pour accroitre le domaine spectral couvert par le spectrographe eShel. Après de nombreux tests sur diverses configurations (objectifs de caméras, fibres optiques, détecteurs, ...), il restait à analyser l'optimisation de l'objectif collimateur...

La nouveauté présentée ici concerne donc un nouveau objectif collimateur calculé par François Cochard (Shelyak Inst.). Celui-ci n'est plus simplement un objectif achromatique, mais un semi-apochromatique, et même réellement un apochromatique si on considère le système complet. Ces termes indiquent que le chromatisme est bien mieux maitrisé par rapport à la configuration de base, ce qui est essentiel si on désire couvrir par exemple le domaine spectral UV.

Pour donner une idée de la performance de ce spectrographe eShel modifié, je compare quelques configuration sur la même cible, le spectre ThAr.



First, aspect of ThAr spectrum in the current commercial configuration, on the left (Canon 85mm f / 1.8 lens, standard fiber), and with the new collimator, on the right (Canon 85mm f / 1.8 lens, fiber optimized UV):

D'abord l'aspect du spectre ThAr dans la configuration commerciale actuelle, à gauche (objectif Canon 85 mm f/1.8, fibre standard), et avec le nouveau collimateur, à droite (objectif Canon 85 mm f/1.8 de base, fibre optimisée UV) :


Image

The improvement of the image quality by the simple change of the collimator is very significant in the blue. The visible and near-UV spectrum can be reasonably obtained in one shot up to order 56 (about 4000 A). For information, the H & K lines are located at order 57.

L'amélioration de la qualité image par le simple changement du collimateur est très significative dans le bleu. Le spectre visible et proche UV peut être obtenu raisonnablement en une acquisition jusqu'à l'ordre 56 (environ 4000 A de longueur d'onde). Pour information, les raies H&K sont situées à l'ordre 57.

The same with an eShel configuration equipped with a Canon 135mm f/2L camera lens instead of the standard Canon 85mm f/1.8:

La même chose avec une configuration eShel équipée d'un objectif de caméra Canon 135 mm f/2L en remplacement du Canon 85 mm f/1.8 de base :

Image

After modification (right image) the spectrum is of an exceptional quality far in the ultraviolet, up to 3750 A at least (order 60). It is the size of the sensor that makes the limitation (and also the system UV sensitivity) ... All professional spectrographs are not as efficient!

Après modification (image de droite) le spectre est d'une qualité exceptionnelle loin dans l'ultraviolet, jusqu'à 3750 A au moins (ordre 60). C'est la taille du capteur qui fait la limitation (et aussi la sensibilité UV du système)... Tous les spectrographes professionnels ne sont pas aussi performant !

A daylight spectrum taken with this last configuration. On a high-contrast display we can see that it's possible to capture the infrared and ultraviolet Ca II lines in the same frame, which is remarkable (the ASI1600MM captured surface is presented). This opens up new perspectives (observations and astrophysics)...

Un spectre de la lumière du jour réalisé avec cette dernière configuration. Sur un affichage à haut constraste on remarque que l'on peut capturer les raies infrarouge et ultraviolette du Ca II dans une même image, ce qui est remarquable (l'ensemble de la surface capturée par le capteur ASI1600 est présenté). Cela ouvre de nouvelles perspectives observationnelles et astrophysique...

Image

Image

The good news, Shelyak plans to propose for eShel users an update kit in a short time (several options will be available depending on your needs).

La bonne nouvelle, Shelyak prévoit de proposer aux utilisateurs de eShel un kit de mise à jour dans peu de temps (plusieurs options en fonction de vos besoins).

Christian B
Bernard Heathcote
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Bernard Heathcote »

Although I have not commented or contributed to this excellent eShel upgrade thread before I have found it very interesting and informative, especially the pros and contras of using the 'standard' Canon 85mm and the Samyang 135mm. I was trying to decide which lens I should use to upgrade my eShel performance and had nearly decided that the economic Samyang was the way to go .. despite its poor UV transmission. Now, with news of Shelyak's future upgrade kit, I am back at the start as it appears the Canon 135mm ($$$?) will be the proposed lens. Does that mean the originally suggested Samyang 135mm is 'dead'?

Once again, many thanks to Christian and Shelyak for another great contribution to amateur spectroscopy!

Cheers,
Bernard
Francois Teyssier
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Francois Teyssier »

Jusqu'à présent, je restais un peu sceptique sur les résultats.
Là, ça devient impressionnant ! Le "mur" a explosé.
Bravo Christian (et Francois C.) pour vos efforts.
J'ai bien hâte de voir des spectres d'étoiles -surtout faibles ;) - avec cette nouvelle configuration
Il n'y a que sur le choix de la caméra que je me pose encore des questions.

François
Olivier GARDE
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

Christian,

Vraiment impressionnant le résultat avec ce nouveau collimateur, cela me fait penser à la comparaison à l'époque entre les premières images d'Hubble avec sa myopie avant et après modification :P

L'upgrade va donc nécessiter de démonter l'eshel pour changer l'optique et donc régler à nouveau le spectro.

Je pense qu'il est faisable d'obtenir H et K avec l'objectif de 85mm d'origine (en comparant mon image actuelle du Th/Ar avec celui que tu obtient une fois la modification appliquée.

Après qu'en est il avec l'ATIK 460EX (tu as fait les tests avec une ASI1600) ? En terme de rendement quantique à 400nm, l'ATIK 460Ex est à 65% et l'ASI 1600 à 55%, mais l'ASI est beaucoup moins bruitée que l'ATIK.

Je viens de regarder les rendements quantiques de ces 2 capteurs :
- Pour l'ASI j'ai ce graphe non pas calibré en rendement quantique absolu mais en relatif par rapport au maxi que peut donner le capteur
Image

- Pour l'ATIK voici la courbe qui elle est donnée en rendement quantique absolue
Image

Si l'on remet à l'echelle les 2 graphes en rendement quantique relatif, l'ATIK460Ex reste plus performante dans le domaine de 400nm voir moins (le graphe de l'ASI s'arrête à 400).
On voit que l'on perd que 15% dans le cas de l'ATIK (entre le maxi et le rendement à 400nm) alors que l'on perd 40% pour l'ASI entre le maxi et à 400nm.
Bon reste effectivement le bruit qui est beaucoup plus important sur l'ATIK....
LHIRES III #5, LISA, e-Shel, C14, RC400 Astrosib, AP1600
http://o.garde.free.fr/astro/Spectro1/Bienvenue.html
Olivier GARDE
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

Francois Teyssier wrote: Il n'y a que sur le choix de la caméra que je me pose encore des questions.

François
François,

C'est également mon gros point d'intérogation.
Perso je suis focalisé sur le CAN et pour moi 12 bits, c'est peut. Je suis peut être trop focalisé sur ce critère mais dans mon domaine professionnel, je bosse avec des outils qui sont de plus en plus large en terme de dynamique : Il y a quelques années on faisait les enregistrements numériques en 16 bits, puis 24 et maintenant 96. Certe cela concerne le domaine du son et sans doute pas reproductible pour l'imagerie ou tout au moins comparable. Mais force est de constater (sauf pour du haut de game) qu'en astro c'est plutôt le contraire qui se produit : on passe de gros pixels à de petits pixels et d'une dynamique de 16 bits à 12 bits.

A quant un CMOS 16 bits à prix abordable "amateur" ?
LHIRES III #5, LISA, e-Shel, C14, RC400 Astrosib, AP1600
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etienne bertrand
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by etienne bertrand »

Superbe avancée, si je comprends l'étendue va pouvoir être de 3750 à 8700A ?
Olivier sinon il y a l'Atik 11000 mais elle est onéreuse..
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

First astronomical observations test of the configuration eShel + improved collimator + high OH fiber + Canon 135mm f/2 objective + ASI1600MM + RC10 f/8 telescope - on bright objects only (...no very good weather in Toulouse...). Comparison of a professional spectrum and eShel (near professional ;-)) on the star gamma Uma:

Premieres observations de test sur objets astronomiques de la configuration eShel + collimator amélioré + fort OH fiber + Canon 135mm f/2 objectif + ASI1600MM + RC10 f/8 telescope - sur objects brillants seulement François T. (pas très bonne météo à Toulouse aussi, on en peut pas faire ce que l'on veut) :

Image

Detail of the blue region (very high correlation of the two spectrum!):

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A cold star - Arcturus:

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H&K region:

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Same for the sun light (UV wavelength limit is here 3775 A - order #59 - the spectrum is very sharp in this spectral spectral region):

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psi Per (Be star) (of course the spectrum is noisy down to 3800 A):

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28 Tau (global and detail):

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Bernard, the poor blue optical transmission of Samyang optics has been a big disappointment for me. It's a shame because the quality of the image is really good (using a "modern" optical formulae). From my point of view, and considering the price of these objectives, it is not a completely closed solution, but it is necessary to accept a really significant decrease of the SNR towards 4000 A (everything is in my message of Nov. 25, 12: 00 am).

For me, the update can be progressive. In the order:

1 - change of the collimateur (Olivier G., ce changement prend deux minutes de temps, 3 vis à dévisser et à revisser, on échange tout le tube collimateur, pas de réglages donc - vraiment simple et immédiatement opérationnel).

2 - change of fiber (low OH -> his OH)

3 - change of objective lens (and CCD /CMOS for increase format if the 135 mm focal is selected - the use of ASI1600MM is only a facility for me: large sensor for a low cost)

Olivier G., je crois effectivement que l'utilisation du Canon 85 mm f/1.8 reste possible, et que oui tu peux capturer à l'extrême limite H&K (mais avec dégradation résolution et dégradation SNR car dilution du signal sur axe spectral). C'est une solution intermédiaire raisonnable dans un premier temps au moins.

Le problème de la dynamique en 12 bits : attention, il est faut de croire que la dynamique vraie d'une caméra Atik460EX est de 16 bits, à cause du bruit. Mais il est concevable que passer en CMOS n'est pas une démarche simple. Je ne statut pas sur la performance relative - mais je pense que le CCD est encore un peu supérieur et plus simple à employer relativement aux habitudes prises (mais c'est tout de même cool à l'usage). Je répète, j'utilise ASI1600MM car c'est large format à bas cout, commode donc. Si j'avais un large capteur CCD à faible bruit, j'utiliserais préférentiellement cela (mais attention au prix).

Pour la comparaisons des rendement quantiques, Olivier G, rapporte toi à mon message du 25 novembre de ce fil, il est dit tout (méfie toi des données que tu a glané sur internet, pas toujours cohérentes).


Christian
Peter Somogyi
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Peter Somogyi »

Christian,

Congratulations for the achievment, am I reading it right Shelyak made the improvement? Would it be possible to continue the effort with the LHires III achromat doublet? That's a much simpler optics.
Let me remind for the UV, we have mainly 2 issues - you just solved (1):
(1) chromatism
(2) total cutoff between 3750A - 3550A
For (2), you must identify the material. After some reading, e.g. the LHires doublet must be having an N-SF5 element (see Edmund Optics specs), that has such a cutoff from 3750A: http://www.sydor.com/wp-content/uploads ... -Glass.pdf
Essentially, even the Alpy having that limitation - whilst the BK7 and FPL51 lenses still transmitting like 50% over there, and such a limitation is highly unwanted (especially at lower resolutions, or the more configurable LHires).
Hope Shelyak doesn't generally think at 3750A we may generally afford that hard cut, I'm just trying to throw in this thought early enough, not to stop here the "next" (?) time.
Watching this thread at a high interest, and happy that picket up improving the so far quite neglected UV !

Cheers,
Peter

PS.: I have many comparison material for 7 cep (even at lower level).
Olivier GARDE
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

etienne bertrand wrote:Superbe avancée, si je comprends l'étendue va pouvoir être de 3750 à 8700A ?
Olivier sinon il y a l'Atik 11000 mais elle est onéreuse..
Etienne,

Le problème de l'ATIK 11000 c'est le bruit dans les 13e-, (contre 5e- pour l'ATIK460EX) donc on a effectivement un plus grand capteur mais plus de bruit.
Christian Buil wrote: For me, the update can be progressive. In the order:

1 - change of the collimateur (Olivier G., ce changement prend deux minutes de temps, 3 vis à dévisser et à revisser, on échange tout le tube collimateur, pas de réglages donc - vraiment simple et immédiatement opérationnel).

2 - change of fiber (low OH -> his OH)

3 - change of objective lens (and CCD /CMOS for increase format if the 135 mm focal is selected - the use of ASI1600MM is only a facility for me: large sensor for a low cost)

Olivier G., je crois effectivement que l'utilisation du Canon 85 mm f/1.8 reste possible, et que oui tu peux capturer à l'extrême limite H&K (mais avec dégradation résolution et dégradation SNR car dilution du signal sur axe spectral). C'est une solution intermédiaire raisonnable dans un premier temps au moins.

Le problème de la dynamique en 12 bits : attention, il est faut de croire que la dynamique vraie d'une caméra Atik460EX est de 16 bits, à cause du bruit. Mais il est concevable que passer en CMOS n'est pas une démarche simple. Je ne statut pas sur la performance relative - mais je pense que le CCD est encore un peu supérieur et plus simple à employer relativement aux habitudes prises (mais c'est tout de même cool à l'usage). Je répète, j'utilise ASI1600MM car c'est large format à bas cout, commode donc. Si j'avais un large capteur CCD à faible bruit, j'utiliserais préférentiellement cela (mais attention au prix).
Christian


Christian,

Pour mon eshel, le point (2) est déjà en place, reste pour une première étape à faire le point (1) dés que Shelyak proposera l'upgrade.
Pour le point (3) je vais attendre de voir si dans les prochains mois de nouvelles caméras seront proposées. Oui l'ASI 1600 est séduisante de part son grand capteur et son cout relativement accessible et c'est sans doute la solution à ce jour.

En tout cas le résultat sur le ciel, certe sur des cibles brillantes, est tout de même assez bluffant et arriver ainsi à moins de 3800 Å c'est génial avec presque toutes les raies de Balmer...
LHIRES III #5, LISA, e-Shel, C14, RC400 Astrosib, AP1600
http://o.garde.free.fr/astro/Spectro1/Bienvenue.html
Joan Guarro Flo
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Joan Guarro Flo »

Congratulations !!

Thanks to all of you, eShel is the best Echelle spectrograph in its category. The improvements that you have incorporated, are really impressive.

It's really a great job !

Joyeux Noël, Joan.
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