spectro-aras.com

Je montre comment à partir d'un spectrographe eShel il est possible d'explorer une partie bleu du spectre étendue. Pour cela, l'objectif original de 85 mm (Canon) est remplacé par un objectif de 135 mm (Samyang). La condition pour cela est d'accepter d'utiliser une caméra ayant un capteur "grand" format, ici celui de la caméra ASI1600MM (un capteur CMOS à petit pixels - 3.8 microns). Le gain en longueur d'onde est de 500 A, ce qui est très significatif pour cette région du spectre à cause du contenu astrophysique. D'une manière générale, le spectre ce révèle de meilleure qualité et mieux échantillonné qu'avec le 85 mm d'origine. La Samyang 135 mm f/2 est une optique d'un prix modeste alors que la qualité optique est fantastique (surement une des meilleures optiques photographiques disponibles actuellement, ce qui constitue un exploit fait par les sud-coréens, et une bénédiction pour nous, amateurs de spectrographie). Il faut évaluer plus en détail, plus avant, cette configuration (Rapport Signal sur Bruit), mais c'est très prometteur.

The Canon 85mm f/1.8 supplied as a standard with the eShel spectrograph is affected by a significant chromatic aberration default which prevents the instrument use in the far blue. Because the availability of large and low cost CMOS sensors (4/3 inch) it is now possible to use a more efficient objective lens with eShel: the Samyang 135 mm f/2 ED.

Thanks to the ASI1600 (ZWO) large sensor area, the entire echelle spectrum can be captured by increasing the focal length from 85 mm to 135 mm !

In the view below, left the Sun spectrum taken with the Canon lens, right with the Samyang lens (two display contrast and I use an enhanced UV transmission optical fiber):



The chromatism is severe with the Canon 85mm... it is not very reasonable to work at a wavelength shorter than near 4500A (note the very blurred H & K Ca II in the UV).

The improvement is very significant with the Samyang 135mm f/2. The spectrum remains sharp down to 4000 A. Without refocusing, the H & K lines are still not accessible, but there is little of it.

The Samyang is simply the best photographic lens I know. Some people admit that it is even superior or equal to the best costly optics (Leica, Zeiss, Nikon ...). I am sure! It is robust, with no options that do not serve us (autofocus). The optical configuration includes an ED glass, which explains the high achromatism:



The Samyang 135mm price is 500 Euros (300 Euros for the Canon 85mm f/1.8).

The wavelength gain of 500 A in the blue is very important for astrophysical reasons - the content of the spectrum is often rich in this part of the spectrum.



For more info about the use of eShel in the far blue/UV region, consult the page:

http://www.astrosurf.com/buil/isis/eshe ... metres.htm

At the condition to accept the use of a large CMOS sensor, for me, the replacement of the actual Canon lens by a Samyang lens is a major advance for eShel users (the second step for the future is to replace the simple doublet collimator by an apochromatic or semi-apochromatic objective ...).

Christian Buil

Super Christian, cela donne envie de faire l'upgrade de l'objectif... C'est donc le même objectif que j'ai sur l'ESP et effectivement la qualité dans le bleu du spectre est bien meilleur...
Est ce que l'optique est simplement fixé à la place de l'ancienne ou faut t'il rajouter une bague allonge car pas la même marque ?

Après tu indiques qu'il faut un "gros" capteur, en terme de dimension il faut tabler sur quel capteur (à part l'ASI 1600) ?
En faisant le calcul pour l'ASI on a donc 4656 pixels de 3,8u, soit une longueur de 17,7mm et l'ATIK 460Ex ne fait effectivement que 12,5mm, donc il manque au moins 5mm.

En CCD il y a l'ATIK 11000 mais avec un bruit bien supérieur à l'ATIK 460ex.

Est ce que le fait d'utiliser un Cmos n'ayant qu'une dynamique de 12 bits serte peu bruité, est un obstacle au niveau du rendu des spectres en terme de rapport signal/bruit et/ou de dynamique dans le cas ou l'on doit par exemple à la fois capter un fort signal en H Alpha mais également autre chose que du bruit dans la partie bleu du spectre ou les faibles amplitudes des autres raies ?

As tu mesuré de combien on augmente la résolution du spectro avec cette nouvelle optique ?

Le temps de pose pour une même cible et un même setup doit augmenter également ?

En tout cas cela est tentant de changer l'optique....

Olivier, en fait on n'augmente pas la résolution dès lors que l'on continu à travailler avec une fibre de 50 microns et que l'on conserve le même objectif collimateur (même focale). Le gain se situe dans le bleu profond, avec une netteté qui permet de garder la résolution de R=11000 jusqu'à vers 4000 A.

Il faut effectivement un grand capteur. Je ne connais pas la Atik1100, mais assurément plus chère qu'une ASI11600. Je ne suis pas sur alors que ça vaille le coup.

Pour revenir à la ASI1600, j'ai fait des spectres eShel avec celle-ci à titre de test, mais je n'ai pas encore dépouillé pour me rendre bien compte. Oui le 12 bits peut apparaitre comme une régression, c'est vrai. Mais pour le moment je n'ai pas été trop géner - l'usage d'un capteur CMOS est en fait assez différent d'un capteur CCD. Par exemple, à cause des petits pixels, la trace du spectre est en apparence plus large (en nombre de pixels), mais après binning, on retrouve pas mal de dynamique dans le profil. Clairement, c'est une rupture, et je commence à peine à maitriser. Mais c'est intéressent.

Pour le montage du 135 mm sur eShel, il faut fabriquer une interface mécanique (une rondelle, avec les bons filetages). Shelyak ? Actuellement, c'est un gros bricolage (comme souvent) car l'objectif est posé sur sa lentille frontale. Bien sur je ne recommande pas, c'est pour des tests et je prend des risques. La semaine prochaine, je vais tacher de me faire une rondelle provisoire en impression 3D.

Christian

You have far too many nice toys to play with Christian! Seriously, it is good to see how new technology, CMOS in this case, brings new opportunities to existing instruments.

It is a pity that there is no consumer demand for large diffraction gratings!

Looking at your strong stretch echelograms I notice some scattered light between the orders. Given it is coloured I assume it is from the echelle grating rather than the lenses.

Interesting work as always.

Regards Andrew

Andrew, the scattering light is probably from the grating ans some optical surfaces (cross-dispersion prism). The diffusion phenomena is taken into account during spectral processing (substraction of inter-order signal).

Olivier (and all), j'ai commencé à exploiter des données faites avec un eShel sur C11 équipé avec une caméra ASI1600MM, mais ici encore avec l'objectif Canon 85 mm. Voici un bout du spectre de V442 And, un objet bien suivi en ce moment :



Le même extrait en retirant les raies telluriques, indispensable pour bien analyser la faible émission :



ou encore la région du doublet du sodium :



Je mesure ici un RSB (SNR) de 180, ce qui est pas mal pour une étoile de magnitude 6,8 avec un plus, un peu de passage nuageux, un RSB qui me semble un peu supérieur à ce que je vois actuellement avec des instruments équivalent (AC). Il me semble que cela valide bien l'usage d'un capteur CMOS moderne sur ce type de spectrographe. Il faut que je poursuive l'évaluation avec l'objectif de 135 mm, donc affaire à suivre, mais je suis optimiste sur le résultat. Par curiosité, cette même région du spectre capturée avec le spectrographe VHIRES-MO :



Le spectre échelle global de V442 And (toujours le spectrographe eShel équipé de son objectif standard de 85 mm) :



Un autre exemple sur l'étoile CH Cyg (extrait) :



Comme on peut noter, le fait d'être en 12 bits n'empêche pas de faire des spectres. Il faut cependant un gros disque vue la taille des images.

Christian

Christian Buil wrote: Comme on peut noter, le fait d'être en 12 bits n'empêche pas de faire des spectres. Il faut cependant un gros disque vue la taille des images.

Christian

A propos de la taille des images, j'ai constaté qu'avec ISIS et le traitement de spectres avec une ATIK460ex en binning 1x1, on était limité dans le nombre de dark, flat ou offset on l'on avait une erreur du style overflow error. De mémoire, j'avais utilisé 33 flats pour constater cette erreur.

Now, first result on the sky after eShel modifications (Samyang 135 mm + blue optimized fiber).

For example, the situation of alpha And star - comparison of eShel(2) and Elodie spectra of the same object:



The eShel(2) is pushed up to order 57. Now, hydrogen Halpha, Hbeta, Hgamma, Hdelta and Hepsilon Balmer lines are captured in the same exposure - thanks to the low chromatism aberration of the Samyang. A detail of the UV/blue region:



and a zoom concerning UV:



The CaII 3933 A H lines is captured (the K line is merged to the Hepsilon line) - a narrow line on this type of star. This result is not possible with the original eShel spectrograph version.

The measured performances (resolution power R) are:
.....
.....
Order Central wavelength R
49 4600 A 12500
50 4500 A 13000
51 4410 A 13000
52 4330 A 13000
53 4240 A 12000
54 4170 A 11000
55 4090 A 9600
56 4030 A 9000
57 3960 A 8700

(compare with the eShel + original 85 lens).

A more faintest star, V442 And, near Halpha:



and the UV region:



By using the present instrumental configuration, the efficiency at the order 57 is very low (note the noise around the CaII H and K lines). So, considering the star magnitude, the acquisition of the order 57 is here an experimental experience.

The spectacular double lined spectrum of beta Aur, a spectroscopic binary;



Note the duplicity of thin CaII H line at 3933 A.

A test on symbiotic star CH Cyg:





Note the Hepsilon line detailed profile (near 4100 A).

The aspect of the 2D image is special because of the chamber objective long focal length (135 mm) and the small detector pixel (3.8 microns)... the spectrum is very well sampled and the fiber core is clearly visible (about 10 pixels for the diameter), as in this image, where the geometry is not corrected (note the well visible fiber contour and also, the presence of the optical anamorphose phenomena):



Manufacture of the Samyang 135 mm objective interface ring using 3D printing:



Pour rebondir sur la question de Olivier G., il faut être conscient que chaque image acquise avec la caméra CMOS ASI1600MM fait environ 63 Mo (!). Pour une étoile, je peux faire entre 10 et 20 spectres individuels que j'ajoute ensuite (actuellement je ne pose pas plus de 300 secondes sur des images individuelles, mais je vais peut être réviser cela). Une nuit peut représenter plusieurs Giga de données. C'est lourd, il faut en être conscient - un ordinateur véloce est recommandé, mais cela ce gère, et ISIS s'occupe de cela - même s'il faut parfois traiter en plusieurs parties à cause de l'encombrement mémoire de l'ordinateur. C'est clairement une autre dimension que ce que l'on est habité à manipuler couramment en CCD. Le spectre lui-même est très grand à cause du sur-échantillonnage.

Ma découverte et surprise, est que les écarts avec le CCD conduisent finalement à des spectres au moins égaux en qualité, sinon supérieur, lorsqu'on utilise une caméra CMOS de qualité et de manière adaptée.

D'une manière générale, l'adoption du Samyang 135 mm (parce que ce modèle est disponible actuellement) transforme l'usage du spectrographe eShel (il devient un eShel "V2" pour moi) et améliore les performances dans le bleu de manière assez significative (l'infrarouge est aussi remarquablement bon), mais en contre-partie, il faut changer les habitudes, sauter le pas, et je comprend que ce ne soit pas évident lorsqu'on est habitué à son setup (il y a des investissements multiples à faire). Pour ma part, je ne pense pas revenir en arrière.

Christian

Bon Christian, tu m'as convaincu !!!
Je constate que tout de même tu gagnes un peu en résolution car avec une ATIK 460ex et l'objectif Canon de 85mm, j'arrive au maxi sur certains ordres à 12500 (ordre 46 par exemple) mais pas plus.

Donc en résumant pour passer de l'eshel(1) à l'eshel(2) il faut :
- Une caméra avec une plus grande surface que l'ATIK460 Ex (ASI 1600 par exemple)
- Travailler en bin 1x1
- Changer l'optique de 85mm par un 135 mm Samyang
- Réaliser l'usinage d'une bague pour fixer le nouvel objectif sur le spectro
- Réaliser ou acheter une bague pour fixer la caméra sur l'objectif.
- Modifier tout les paramètres dans ISIS

De mon point de vue, il y a un "kit" qui pourrait être proposé par Shelyak pour upgrader les eshel existant ?

Sinon, sur mon ESP j'avais constaté lors des réglages de la foc du 135mm que c'était très sensible, est ce le cas également avec l'eshel(2) ?

En tout cas ce que je vois comme avantages avec ce nouveau set up :
- 4 ordres de plus dans le bleu (j'arrive avec mon eshel (1) à l'ordre 53 mais avec une résolution de l'ordre de 9000)
- Une meilleur résolution dans le bleu
- On a les raies H et K

Les inconvénients :
- faut changer tout les paramètres dans ISIS
- Le poids des fichiers à traiter (est il possible de modifier ISIS afin qu'il puisse prendre en compte par exemple une trentaine de flat ?)
- La dynamique de l'ASI 1600, certe tu démontres que l'on peut l'utiliser mais qu'en est il par exemple sur des cibles comme gam Cas ou il faut à la fois ne pas saturer H Alpha mais également capter du signal vers 4000 A ?
- Qu'en est il des pixels "déviants" des capteurs CMOS ? faut il appliquer une procédure spécifique pour le traitement des spectres avec ces capteurs CMOS ?

En tout cas une très belle avancée dans le monde de la spectroscopie echelle amateur....

Here, some considerations about the CMOS dynamic limitation (12 bits) and also, a comparison between the ELODIE archive of star Pollux (beta Gem) spectrum and the spectrum taken with the modified eShel (for two exposure times). My observation is that despite the brightness of the star, the observation of the CaII H & K lines is not easy by using eShel for the moment, but there are still improvements possible... I call for the observation of the stars alpha And and beta Gem (Pollux) for comparaions (eShel, custom echelle, Lhires...) and quantify performances. These are easy targets.



Bonjour Olivier, bonjour tous (hello all)

Olivier, le gain en résolution est marginal et il faut aussi considérer que c'est comme toujours délicat à mesurer et que le résultat dépend pas mal de la manière dont on a fait le réglage de l'objectif. En aucune manière, le gain supposé en résolution ne peut être un argument pour passer sur une caméra genre ASI1600 (noter que Atik sort actuellement un modèle équivalent CMOS avec le même capteur Panasonic apparemment, mais que je n'ai pu essayer bien que je me soit porté volontaire pour le beta test - ils avaient peu d'exemplaires d'après ce qu'ils m'ont dit).

Cependant, si la résolution ne s'affine pas (sauf dans le bleu bien sur), le facteur d'échantillonnage supérieur avec des pixels de 3,8 pixels permet cependant de réaliser des mesures plus précises, notamment en mesure de vitesses radiale.

Tu a fait je pense Olivier un bon résumé des avantages et défauts de l'évolution, mais je vais apporter un ou deux commentaires :

- dès lors que ton Samyang 135 mm est en monture Canon, ton interface avec la caméra ne change pas vraiment coté caméra justement. Cependant, il est vrai que la ASI600MM dispose d'une interface un peu différente de la Atik460EX. J'ai rendu les deux modèle quasi compatibles en faisant à la scie un mini bague de 4 mm d'épaisseur à partir d'une bague allongé 42 mm 0.75 femelle/femelle, mais c'est vraiment du détail.

- pour ISIS, le paramètre est quasi le même, au facteur d'échelle près (ajustement boite de recherche des raies, etc) - mais clairement, il y a une paire d'heure à passer pour optimiser, cependant j'ai bien défriché.

- il est recommandé dans ISIS de sélectionner l'option de filtrage médian, déjà disponible dans la dernière version de ISIS - c'est un apport assez déterminant dans l'affaire pour compenser l'effet du sur-échantillonnage.

Je pense que Shelyak va proposer un kit de mise à niveau.

Il y a la question épineuse des raies H & K du CaII. Il n'était pas dans mon intension d'aller jusque-là dans le spectre, mais bon, c'est bien sur tentant !

La qualité du Samyang devient limite ici, mais tout de même on peut tirer quelque chose en acceptant un pouvoir résolvant de 8500 - 9000 vers 3950 A. Cela a été plutôt une bonne nouvelle. Les problème sont ailleurs en fait...

- En dessous de 3980 A, le rendement global chute très vite dans ma configuration. Je n'ai pas identifié très clairement l'origine (outre le fait que le signal produit par l'étoile baisse aussi un peu à ces longueurs d'onde pour une étoile de type G ou K par exemple). Je vais tester la prise de vue avec un Newton, donc tout miroir, pour voir si je n'ai par un gain par rapport à un SCT (vu par exemple avec un Alpy600). Si la réponse est positive, alors un Ritchey-Chretien ou un Newton, sera recommandé coté télescope.

- Malgré l'adoption d'une lampe halogène 4700 K le signal dans l'UV reste encore bien faible, ce qui pose problème pour les étalonnages (faiblesses des raies ThorAr par exemple, ou de la mesure de la fonction de blaze). Cela oblige à accumuler pas mal d'images tungstène (30 à 40 pour moi, si je veux attraper le partie UV avec un SNR suffisant). Ici, c'est le problème de la dynamique du capteur (12 bits) qui ressurgit, je l'admet. Cependant, actuellement, ma fibre d'étalonnage de 200 microns est un modèle standard qui transmet peu l'UV et donc, le signal d'étalonnage. J'ai commandé chez ThorLab une fibre meilleure de 200 microns, que j'attend avec impatience, et on verra alors vraiment ce qui se passe.

Comme je l'ai dit, l'accès à H & K avec eShel(2) demeure très expérimental pour le moment - je ne veux surtout pas sur-vendre cette possibilité, et donc je n'en fais pas un vrai argument en l'état.

Voici des éléments supplémentaires sur cette question via des données que je n'avais pas encore affichées. Sur l'étoile Pollux (brillante, V=1.1 !), de type K0III, voici l'aspect des raies H & K du CaII, avec une comparaison avec un spectre Elodie de cette même étoile pris dans l'archive OHP :



Remarquer d'abord le temps d'exposition relativement bref adopté pour les poses élémentaires (23 secondes) afin de ne pas saturer la partie visible. J'en ai accumuler 17, ce qui est le lot normal - c'est la contrainte de notre CMOS 12 bits, c'est clair (mais on n'aurait pas non plus fait une pose unique avec un capteur CCD dans le cas présent) - cette contrainte, qui représente un travail supplémentaire et une certaine vigilance, ne me semble pas dramatique devant le fait qu'il n'y a pas de dégradation de l'information (bonne nouvelle et les calculs de simulation confirment la chose) et devant le gain apporté par ailleurs (taille capteur, choix optique).

Les deux spectres Elodie vs eShe(2) sont fortement semblables jusqu'à 3950 A. C'est même plutôt sympa, et bien sur essentiel pour un travail scientifique. Cela valide la chaine de mesure. Donc pour la raie K, à la limite ca va. Pour détailler la raie H du Ca II (3933 A), j'ai été amené à exposer plus longtemps (180 sec par pose) quitte à saturer la partie visible. Voici le résultat :



L'accord entre les deux spectrographes ce révèle très bon jusqu'à la limite explorée de 3923 A. Mais il faut souligner l'effort, alors que l'étoile est elle même brillante. Comme dit plus haut, la finalisation de l'optimisation (type de fibre, type de télescope), permettra peut être de grignoter (?).

Pour finir, il importe (comme bien souvent) de croiser nos données. Si vous voulez-vous faire une opinion et un échange, je propose que vous fassiez avec votre équipement (eShel ou autre - réalisations custom) des spectres bleu/UV des étoiles : alpha And d'un coté, et Pollux (beta Gem) de l'autre, pour que l'on puisse faire des confrontations utiles et prendre les meilleures orientations. C'est facile et ceci est un appel.

Christian

This is a short message to confirm that Shelyak will propose an upgrade kit for the eShel spectroscope. Coming soon...

Hello tous,

Un message rapide pour confirmer que sur la base des tests de Christian, je suis en train de bosser sur une mise à jour du eShel (ce sera accessible sous forme d'un kit de mise à jour).
Olivier, à ta liste, on doit ajouter le changement de la fibre optique : j'ai pu trouver une solution pour passer sur des fibres "UV", au même prix que les fibres actuelles. C'était dans l'air depuis un moment... en bossant avec les différents fournisseurs, on a trouvé une solution quasi idéale - je vous donne des nouvelles bientôt.

Un truc que Christian n'a pas encore dit, c'est qu'on regarde actuellement si on peut améliorer le doublet d'entrée (collimateur) du eShel, pour aller chercher ces fameuses raies H&K. Ce n'est pas trivial, mais on essaie. On vous tient au courant.

Alors je prends un peu de temps pour faire les choses proprement, et je reviens vers vous avec une proposition de kit de mise à jour du eShel.

Amicalement,

François