Barlow et chromatisme

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Christian Buil
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Barlow et chromatisme

Post by Christian Buil »

Le spectrographe UVEX donne son meilleur lorsque le faisceau du télescope est plus fermé que f/8. Que faire lorsqu'on souhaite utiliser un télescope plus ouvert, comme par exemple mon Newton de 250 mm ouvert à f/4,5 ?

La solution consiste à utiliser une lentille de Barlow, dont l'effet est d'augmenter la distance focale. Mais soucis, une barlow est un système dioptrique (en général), fait de lentilles, et donc source de chromatisme. Cette aberration est critique pour un spectrographe qui revendique un large domaine spectral d'observation. Sans trop de surprise, je montre ici qu'il y a effectivement problème, et l'ampleur. Mais cette situation ne concerne pas que le spectrographe UVEX...

Voici les conditions de test :

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J'utilise ici une vieille lentille de Barlow CLAVE de 25 mm (from the "golden age of optics in France"). J'ai pu la modéliser optiquement (Zemax) et bien analyser son comportement face à mon télescope. Voici le résultat sur UVEX(S) (le prototype Shelyak) lors d'une observation de Deneb dans le bleu, avec un réseau de 1200 t/mm (blazé à 400 nm), ce en fonction du point de focalisation du télescope :

Image

Il est important de bien noter que le chromatisme du télescope (avec la Barlow) n'affecte pas la résolution spectrale : quelque soit le point de focalisation au foyer du télescope (une amplitude de 100 à 200 microns typique), la finesse des raies demeure la même. On notera au passage le très bon comportement de UVEX dans cette configuration en terme spectral (même PSF à cause du chromatisme interne nul du spectrographe).

Par contre, la trace du spectre s'élargie d'autant plus que l'on va dans l'UV. On peut compenser en focalisant le télescope, mais bien sur on dégrade alors la partie visible du spectre. Le résultat est édifiant sur l'aspect du continuum du profil spectral :

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La dépendance de la réponse radiométrique spectrale avec le chromatisme est dramatique. On ne s'étonne pas dans une telle situation de voir le grand écart entre le profil spectral dans le bleu suivant les observateurs. On retrouve la même situation avec les réfracteurs, avec les réducteurs de focale et même les Schmidt-Cassegrain à cause du sphéro-chromatisme.

Donc difficile d'exploiter une lentille de Barlow dans l'UV (mais je m'attendais à pire), à moins de faire une courbe de réponse pour chaque point de focalisation, ce qui est fastidieux et potentiellement incertain :

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Ce document montre que cela fonctionne, mais lorsque le bleu/UV est défocalisé, le rapport signal sur bruit dans ce bleu/UV est fortement dégradé, et cela n'est pas rattrapable. Souvent, le bruit constaté dans le bleu de bien des spectres qui circulent vient du télescope, ce qui est souvent négligé (l'exemple des télescope Schmidt-Cassegrain).

Voici un spectre de Véga dans cette même configuration (Newton f/4.5 + Barlow). A condition de ne pas être trop ambitieux en allant loin dans le bleu, cela fonctionne (et globalement le spectre est meilleur que celui donné par un Alpy ou un LISA sur le plan du chromatisme en raison des caractéristiques de UVEX, i.e. la résolution est conservée dans le bleu profond) :

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En bon complément, une bonne configuration de UVEX est d'aller un peu plus loin que Alpy ou LISA (je met de coté Lhires III) en terme de résolution, vers disons 1500 < R < 3500, et donc de l'équipé par exemple avec un réseau de 600 t/mm. Voila ce que cela donne en demeurant dans la partie visible du spectre sur quelques objets, en utilisant le Newton f/4.5 + Barlow :

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Ces résultats sont corrects.

Ce travail montre que - sous-conditions - le spectrographe UVEX, lorsqu'il sera commercialement disponible, ou si vous le fabriquez vous même en impression 3D, peut être exploité avec un télescope Newton aussi ouvert que f/4,5.

Et si cela était encore nécessaire, je montre la criticité du chromatisme du télescope en spectrographie.

Christian Buil
Christian Buil
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Christian Buil »

Un test équivalent avec une lentille de Barlow et télescope Newton 250 mm, mais en visant la région infrarouge du spectre.

En haut du document ci-dessous le spectre 2D de l'étoile alpha Cas de 7500 à 9200 A environ :

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Malgré ce large domaine, le spectre est très homogène, ce que confirme par ailleurs le calcul optique. C'est une très bonne nouvelle, l'achromatisme de UVEX est particulièrement bien mis en avant dans cette partie du spectre, souvent trop négligée pas les amateurs, faute d'un équipement adéquat. Cela montre aussi comment bien utiliser UVEX avec un télescope Newton.

En bas, le spectre IR de l'étoile delta Cas (type Ne) et le spectre IR de la nova Cas 2020, réalisées dans les conditions décrites.

Christian B
Benjamin Mauclaire
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Benjamin Mauclaire »

Quelles bases de données de spectres pro haute resolution couvrent le proche IR a part UVES ?
Spcaudace spectroscopy software: saving you hundred hours of frustration.
Christian Buil
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Christian Buil »

Bien sur, non seulement l'ajout d'une Barlow peut impacter l'aberration chromatique de l'ensemble instrumental, mais aussi la transmission optique. Dans les deux cas, c'est la partie ultraviolette qui est touché, et pas vraiment l'infrarouge. Ici la courbe de transmission mesurée (avec UVEX) de la lentille CLAVE de 25 mm de diamètre :

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La chute de transmission est vraiment sévère en dessous de 3600 A. Cela tombe bien, car le chromatisme empêche d'aller aussi bas en longueur d'onde. Les verres utilisées (F2 et BK7) n'expliquent pas cette absorption - tout deux sont bien transparent. Le coating anti-reflet est surement important.

La version D=50 mm de CLAVE est meilleure (le reflet du coating n'est pas le même) :

Image

Voici la transmission d'une lentille TeleVue simple doublet, dans la même norme que la CLAVE de 25 mm :

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En revanche, il faut vraiment éviter les formules complexes POWERMATE (Barlow télécentrique), encore plus fortement absorbante :

Image

Benji, je n'ai pas vraiment de base spécifique, mais GAIA est une bonne piste car le spectrographe embarqué vise le triplet IR du Ca II. Il y a en tout cas énormément de littérature en raison de cela, et la base spectro GAIA est peut être accessible ? Se serait intéressent, il faut se renseigner (je crois bien quelle est basée au CNES à TOULOUSE..., mais ne n'y suis plus !).

Christian Buil
Tom Love
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Tom Love »

This is most interesting and very timely, for me. I am currently planning a larger telescope which will be a f/4 newtonian. I should be able to use the alpy directly at f/4, so no refractive telescope optics will be needed for it. I'm planning to use a televue powermate 2x with the Lhires, so it's very interesting to see the transmission graph. I will clearly lose a fair bit of light at the blue end.

Thankyou for this interesting data and discussion.
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Peter Somogyi
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Peter Somogyi »

Tom,

I am using the Alpy at f/4 without any lens, and LHires III with an APM Barlow 2.67x (designed for f/4) from the very beginning.
I am unable to distinguish the well known aberrations of LHires internral dublet from this APM barlow, seeing also in the IR with 600/mm grating but less severe than in UV.

I can find only these references:
http://www.astrosurf.com/viladrich/astr ... ission.htm
http://www.astrosurf.com/viladrich/astr ... n300F4.htm

Also this statement flying around but not having the soure anymore:
"This new fully Apochromatic design provides a magnification factor of 2.7x and uses a 1.25” lens cell. This lens cell is a 2 element cemented doublet incorporating an FK61 ED element (similar to O’Hara FPL-51). The elements are fully broadband multi-coated and provide 99% light transmission of wavelengths from 400-700nm."
( https://www.365astronomy.com/APM-2.7x-C ... arlow.html , and several other pages stating this)

I'm not sure know how powermates work at f/4 (anything below the most common f/5 when not mentioned, you must be careful - that's what I've learnt in general).

Peter

EDIT: for the Alpy at f/4, see: http://www.spectro-aras.com/forum/viewt ... f=8&t=2036 ,so there are some abberrations.
By theory it improves to insert a quality barlow for Alpy at f/4, however the UV capability down to 3600A of Alpy (and Newton) made me avoid it. And since Alpy's best use is faint targets, the f/4 is rather benefical in this case.
Christian Buil
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Christian Buil »

I agree very well Peter, at the present time, use of special optical glass (ED) is an efficient method for reduce chromatism. For example, in some minutes I have simulated a very similar APM 2.7X Barlow (and coma correction) :

Image

The off-seeing spot-diagram is nearly diffracted limited from UV to IR (and the optical transmission is excellent if we adopt a single layer anti-reflective coating).

My hope is that Shelyak designs and distributes this type of component in the future ... I had many discussions on this subject with François Cochard (and also focal reducers, ADCs ...). It is very important subject for the development of spectrography today.

Christian Buil
Tom Love
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Tom Love »

Thanks for those comments Peter and Christian. The APM does sound interesting. In my case I was keen not to go more than 2x so as to keep the focal length to a reasonable absolute value, since the Lhires is capable of working down to f/8. I was keen to go to a 4 element unit to reduce chromaticism, while realising that there is a likely tradeoff in transmission. The Televue website says that their Powermates are tested at f/4, so will hopefully perform in my planned system.

It will probably be the end of the year before I have a working setup, but I will report on performance when I can do so.

My proposed instrument is 500mm diameter. I hope that at native f/4 with the Alpy it will be a magnificent instrument for faint objects, novae etc. And at f/8 with the televue barlow it should give excellent Lhires data.
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Robin Leadbeater
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Robin Leadbeater »

Hi Tom,

That is a big aperture for both the ALPY and the LHIRES. What is your seeing like ?

With the ALPY the 23um slit will be 1.5 arcsec and with the LHIRES at f8 (where you will already be getting some vignetting) a 35um slit will be 1.1 arcsec

Cheers
Robin
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Tom Love
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Re: Barlow et chromatisme

Post by Tom Love »

Hi Robin,

Yes, I know that's pushing it a bit. But there's some discrepancy in calculations here - I get a 35 micron slit with 2000mm focal length (f/4 for the alpy) giving me about 3 1/2 arcseconds, which should be OK for much of the time. The Lhires at f/8 is obviously a bit more challenging, though still, the focal length is about the same as a C14. A 50 micron slit will be minimum, and I suspect that 75 will be needed sometimes.

Interesting on vignetting - before making decisions on the setup I checked with Francois at Shelyak who suggested that f/8 should not vignette the Lhires.

For fast rotating young stars in binaries (which I have been and will be doing quite a bit of) a larger slit and less resolution isn't a huge problem. Line broadening means that if you can pin the radial velocity down to 5ish km/s you're doing well.

We recently used some of my Lhires data taken with an RC12 to supplement the blank bits of a radial velocity curve that we had observed earlier with this equipment: https://www.researchgate.net/publicatio ... at_Mt_John Given the inherent challenges of pinning the RV down to high precision, my Lhires/12 inch observations produced RV measurements with about the same final precision as Hercules on a 1m telescope (albeit on quite a bright target). Which I was really quite smug about...

Cheers,

Tom
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