3D printed UVEX spectrograph

Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Christian Buil » Sun Aug 06, 2017 3:15 pm

Depuis Juan-Les-Pins, en repos de la campagne OHP avant le retour sur Toulouse, des essais sur le bleu du ciel du spectrographe UVEX que j'avais emmené à la spectro-party (mais pas déballé). J'ai mis un réseau blazé dans l'UV (300 nm, référence standard chez ThorLab) et j'ai testé avec la caméra ASI290MM équipé de sont capteur CMOS aminci...

Some change on the UVEX prototype : a 300 l/mm grating blazed at 300 nanometers (ThorLabs ref GR25-0303) + ASI290MM camera (equipped with a low-cost Sony backside CMOS).
The mechanic is the same.

The actual test is done from our vacation spot (me and Valerie) after the OHP campaign, in Juan Les Pins (Cote d'Azur). I brought with me a small optical laboratory ... !


Image

By observing the blue of the sky, perhaps my extreme UV record : 3100 angstroms (25 microns slit, 0.05 sec exposure) :

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A detail (extreme) (0.25 sec exposure) :

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2D aspect of the reduced spectrum:

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Below 310 nm the atmospheric ozone is a wall

Noter la position des raies H et K du CaII et toute l'information capturé à des longueurs d'onde plus courte que celles-ci. A tester sur étoile bien sur, mais il semble que cette version du setup apporte un boost significatif par rapport à quelque chose qui n'était pas trop mal déjà. Un élément clef était de savoir si les capteurs CMOS Sony passaient l'UV... la réponse est oui. C'est potentiellement prometteur.

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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby etienne bertrand » Sun Aug 06, 2017 8:34 pm

Chapeau ! c'est très fin en détail. Au niveau de la résolution, c'est quelle ordre de grandeur Christian ?
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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Christian Buil » Sun Aug 06, 2017 9:22 pm

Aller, disons dans les 700 en résolution, mais ce n'est pas ici la principale préoccupation, l'essentiel est la couverture spectrale. En outre, pour la résolution spectrale il faut voir sur une étoile (objet ponctuel). Et à ce stade, je n'ai pas encore réglé le problème du guidage intégré dans le spectro. Ce qui est intéressent, c'est la relative constance de la résolution, assez indépendante de la longueur d'onde grace à l'achromatisme - déterminant dans l'UV où on ne peut imaginer une optique dioptrique atteindre cette performance.

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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Michel Verlinden » Tue Aug 08, 2017 12:25 am

Bonjour Christian,
Tu ne cesses de nous éblouir !
Comment expliques-tu les différences entre le spectre UVEX du ciel et le spectre du Soleil dans la comparaison ?
Comment varie le spectre du ciel dans cette région selon la direction de pointage ?
Bien cordialement,
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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Christian Buil » Tue Aug 08, 2017 8:30 am

Michel, dans le domaine couvert l'écart est raisonnablement faible entre les deux spectres. Le fait de pointer le fond de ciel plutôt que la source elle-même ne doit pas changer grand chose pour ce qui concerne les raies dans cette partie du spectre (le continuum c'est autre chose à cause de la diffusion de Raleigh). On doit avoir des bricoles du coté ozone, mais de contraste faible par rapport aux raies proprement solaire.

Lorsque des écarts existe il faut les mettre sur le dos d'effets instrumentaux : présence du bruit, variation de la résolution spectrale le long du spectre, etc. Je ne soupçonne pas le spectre de référence d'être faux. Mais bon, une fois de plus faut pas trop chercher la petite bête, et à ce stade c'est correct je pense.

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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Michel Verlinden » Tue Aug 08, 2017 5:05 pm

Merci Christian.
Pour l'UVEX, que penses-tu d'un module de guidage constitué d'un renvoi coudé, d'un deuxième miroir plan parallèle au premier et sur lequel la fente serait placée,juste à l'entrée du spectrographe. Cela permettrait de placer une caméra de guidage dans la direction du tube et du même côté du spectrographe que la caméra science. Cela nécessiterait aussi une pièce raccordant l'entrée de l'UVEX au renvoi coudé, et usinée pour accueillir une caméra de guidage.
Cordialement,
Michel Verlinden
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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Christian Buil » Wed Aug 09, 2017 1:18 am

Sur le papier on peut faire quelque chose dans le genre. Mais en fait c'est très serré du coté de la fente d'entrée, il y a très peu de tirage libre, de dégagement. Pas simple du tout dans la disposition actuelle et il n'y a pas de solution simple. C'est l'un des problèmes majeurs actuellement si on considère que pour la plupart des observateurs une fente est indispensable. Il y a encore du travail et de toute manière, le schéma optique du spectro lui-même n'est pas définif (on peut faire mieux, mais là encore cela demande un peu d'effort de conception, ca va venir).

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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Tony Rodda » Tue Feb 06, 2018 4:30 pm

Hi Guys/Christian,
This is a marvelous project and I'd like to try printing (and using) it.
(I've just finished Paul Derlach's "LowRes" design and I'm hooked).
Did you complete the final designs and publish the 3D files?
Regards
Tony
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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Christian Buil » Wed Feb 07, 2018 5:31 pm

Tony, I propose a summary of the actual situation...

The UVEX initiative proves that it is possible to produce a spectrograph meeting the initial requirements: high-performance for a reduced cost.

The main high performance concerns the very broad spectral coverage allowed by the use of an achromatic optical configuration (a nearly « all mirror » solution) and a minimal optical surfaces number. We are also helped by the providential new generation CMOS cameras i.e. very consistent qualities with our need: low price, back-illuminated sensor with high quantum efficiency and extended spectral range.

The reduced cost come from the use of simple spherical mirrors available on the shelf, the same for the grating, and a stripped optical formula. In this sense, the « 3D printing »  solution is technically credible in a context of industrial production, as well in a context of a by itself realization (diffusion of CAD design). The critical components prepositioning also simplify the adjustment procedure - thanks to the « 3D printing » !

The project is however far from being finalized, besides adjustments concerning CAD, it is necessary to underline two points:

(1) At this stage, the spectrograph can not be placed in all hands due to the lack of a narrow slit guidance/pointing system. Without such a device, the use of the instrument is not a simple task. For the same reason, the productivity is seriously affected, even though the radiometric efficiency is intrinsically high - so we are wasting a lot of potential here. Implementing this slit system in a very small volume is not an easy task. Nothing is however insoluble, but there is still work ...

(2) The astigmatism of Czerny-Turner formula is only partially corrected by the use of a classical cylindrical lens just in front of the detector. For an almost perfect correction and as an option, the use of a variable curvature radius cylindrical lens along the spectral axis is a fine solution. We can use the optical machining technology called "free-from" to achieve this result, which has a cost. UVEX can work without this enhancement, but this makes the instrument almost perfect.

So there are some milestones to go through, but UVEX has fascinating capabilities and is leading the way in the generation of instruments that can further democratize spectrography and produce more and more scientific data.

So you have to be a little patient (my job is optics, but mechanics and CAD it takes more effort for me ;-)

Christian
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Re: 3D printed UVEX spectrograph

Postby Tony Rodda » Wed Apr 18, 2018 4:55 pm

Many thanks for the reply Christian.
I appreciate it greatly and I look forward to seeing the final design.
It's incredible how 3D printing reduces the cost but there is no substitute for clever design!
Clear skies,
Tony
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