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 »

Hubert, je suis d'accord avec tes remarques sur l'histoire du diaphragme.

Par un moyen ou un autre je suis aussi convaincu qu'il est par exemple possible de l'ouvrir au maximum, même s'il est commandé électriquement. Le risque est extrêmement faible, de part le principe (et aussi car les gens de Samyang et les autres constructeurs sont malins). En outre, sur un eShel, un tel objectif serait toujours utilisé à pleine ouverture. Bref, l'analyse de la performance de ce Samyang 85 mm f/1.2 est bien intéressante, car si la performance espérée est correcte, il permet par exemple de ne pas changer de caméras (conserver son Atik460EX par exemple), car si on y regarde de près, cet objectif est moins cher qu'une caméra ASI1600MM-C malgré tout. Et comme je montre dans mon calcul que les performances sont fort similaires entre CCD et CMOS dans notre affaire, il faut bien tout peser.

Je ne défend pas bec et ongle le CMOS, c'est simplement ici une opportunité de tester une optique comme le 135 mm Samyang qui s'avère tout de même meilleur que le 85 mm d'origine. En outre, ne pas oublier par exemple la lourdeur en octet des images ASI1600MM et le temps de traitement plus long. Simplement, il est instructif de faire deux pierres deux coups, en montrant que l'on peut faire un peu progresser le eShel d'un coté avec des optiques modernes, et montrer qu'aujourd'hui l'usage du CMOS pour des applications aussi pointu n'est pas à exclure (et j'y trouve des avantages un peu subtiles - outre le fait que c'est à la base moins cher que l'équivalent CCD à présent).

Christian
Robin Leadbeater
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Robin Leadbeater »

Hello Christian,
Christian Buil wrote: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.
Your results for the Celestron reducer now agree with mine for the Meade reducer (also measured using a Halogen flat)
http://www.spectro-aras.com/forum/viewt ... t=10#p9436

Robin
LHIRES III #29 ATIK314 ALPY 600/200 ATIK428 Star Analyser 100/200 C11 EQ6
http://www.threehillsobservatory.co.uk
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Comparative test of eShel + Canon 85mm f/2.8 (base configuration) or Samyang 85 mm f/1.2 or Samyang 135 mm f/2.0 (large sensor mandatory). The criteria of quality is here the chromatism. The winner is the Samyang 135 mm f/2.0 (possible access to IR Ca II doublet, but faint signal at these level).

J'ai pu tester sur le spectrographe eShel l'objectif Samyang 85 mm f/1.2, et comparer les performances avec l'objectif Canon 85 mm f/2.8 de base, et l'objectif Samyang 135 mm f/2.0. Je vous propose une première salve d'éléments, qui je crois intéressante car elle illustre bien l'avancement des travaux.

D'abord une photo de eShel avec l'objectif Samyang 85 mm f/1.2, assez imposant, et une caméra CMOS ASI1600MM-C :

Image

Ensuite, la comparaison des images 2D (portion) du ThAr dans les 3 configurations, histoire de tester l'aberration chromatique :

Image

Pour moi, la limite raisonnable du Canon 85 mm f/2.8 est l'ordre #52 (certains utilisateurs pousse à l'ordre #53, mais je trouve que le pouvoir de résolution est alors incertain et un peu trop dégradé). Noter que l'ordre qui contient les raies H et K du Ca II est le numéro #57, tout en bas de l'image. Les raies à cet endroit sont très sévèrement défocalisées à cause de l'aberration chromatique. L'ordre #34, en haut, est celui qui contient la raie Halpha.

Le Samyang 85 mm f/1.2 (au centre) est sensiblement meilleur, mais on ne peut encore atteindre avec lui le doublet du calcium dans l'UV. L'ordre limite est le numéro #55 et l'extème limite le #56 (le pouvoir de résolution est dans cet ordre de R = 8500, alors qu'il est de 11000 à 12000 partout ailleurs). Noter encore le bon comportement dans le rouge profond (on peut observer jusqu'à l'ordre #30 au moins).

La configuration constituée du Samyang 135 mm f/2 (attention grand capteur nécessaire, ici la caméra CMOS ASI1600MM, relativement économique) ce révèle la plus propre. La baisse de netteté est sensible à l'ordre #57 (R=9000), mais cela suffit à observer les raies H et K du Ca II avec la même pose que le reste du spectre (pas de refocalisation), et avec une qualité relativement correcte (à la baisse de signal près dans cette partie du spectre, mais c'est une autre histoire...). Le Samyang 135 mm f/2.0 est le meilleur des trois quant on considère le critère du chromatisme.

Voici à présent ce que cela donne avec un spectre d'étoile (Alcyone), avec les limites bleu du domaine spectral, que je considère comme raisonnablement atteignable :

Image

A vous de vous faire une opinion...

Christian
Olivier GARDE
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Olivier GARDE »

Super les tests Christian.

La solution N°2 (Samyang 85mm f/1.2) fait gagner 2-3 ordres par rapport à l'eshel de base mais je me pose la question du réglage de la mise au point. Déjà avec le 85mm Canon à f/1.8 c'est assez sensible comme réglage, mais avec une optique ouverte à 1.2 cela doit l'être encore plus non ?

Sinon, est ce que l'optique Samyang 85mm f/1.2 en monture Canon est directement utilisable sur l'eShel d'origine et une ATIK 460EX ? (en gros on démonte le Canon pour fixer à la place le Samyang).

Dernière question, as tu noté un meilleur rendement global du spectro avec ce nouvel objectif (on passe de f/1.8 à f/1.2)

(a ce propos il me semble que dans ton schéma il y a une erreur au niveau de l'ouverture de l'objectif CANON, c'est 1.8 au lieu de 2.8.)

L'avantage du Samyang 85 vs Samyang 135 c'est que l'on a pas à changer la CCD (certe un gain moins important en terme de plage en longueur d'onde mais moins couteuse pour le porte monnaie)

Une optique CANON 85mm f/1.8 dans les 400 € 
Une optique SAMYANG 85mm f/1.2 dans les 900 €
Une optique SAMYANG 135mm f/2 dans les 530 €
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 »

Olivier, c'est effectivement le Canon 85 mm f/1.8 dont il est question. J'ai corrigé.

La focalisation du Samyang 85 mm f1.2 s'avère en fait plus simple que le Canon, car le réglage est bien mieux démultiplié et doux. Donc là aussi c'est meilleur, pas de soucis de ce coté là.

Encore un comparatif, sur 28 Tau, une Be avec des raies métalliques fines (spectre composite), afin d'apprécier la résolution spectrale :

Image

On remarque que le pouvoir de résolution est légèrement supérieur avec la caméra ASI1600MM, peut être à cause de la meilleure qualité des optiques Samyang utilisées en parallèles, mais aussi plus probablement grace au sur-échantillonnage.

La fonction de blaze à l'ordre 34 (ordre de Halpha) comparée entre le 85 mm et le 135 mm Samyang (en pixels caméra, fichier blaze_34.dat) :

Image

Christian
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Après le travail sur la finesse du spectre dans le bleu, j'ai essayé de comprendre l'origine d'un déficit de signal assez chronique dans le bleu profond avec le spectrographe eShel. Un peu déçu de ne pas sentir en effet plus nettement l'apport de la fibre à fort rendement UV lors de mes derniers tests.

J'ai fait des mesures (pas très simple) pour comprendre, et je crains de ne pas me tromper. La transmission optique des optiques Samyang semble médiocre dans l'UV, surement à cause des traitements anti-reflet. C'est le cas sur le 135 mm f/2 qui est le seul que j'ai mesuré, mais j'ai l'impression que l'on a le même résultat sur le 85 mm f/1.2... J'ai en particulier pu comparer la transmission du Canon 85 mm f/1.8 et du Samyang 135 mm pour plusieurs longueur d'onde, ceci est résumé dans la tableau suivant :

Image

Au niveau des raies HK du Ca II, vers 3950 A, on note que la transmission du Samyang est 4 fois inférieure à celle du Canon, Fâcheux au stade de cette analyse :

- D'un coté on a une optique Canon affectée d'un fort chromatisme dans l'UV mais qui est bien transparente dans ce domaine.

- D'un autre coté on a une optique Samyang qui pique dans le bleu mais qui coince dans cette partie coté transmission optique (on bloque presque tout vers 3920 A il me semble).

On en peut pas trop blamer Samyang, car les photographes ne travaillent pas dans l'UV et même le blocage de l'UV est plutôt souhaitable pour obtenir des photos plus nette. Mais ce n'est vraiment pas de chance pour nous.

Un test de transmission relative entre le spectrographe eShel (avec Samyang 85 mm f/1.2) et le spectrographe VHIRES-MO pour une même même bonnette, une même fibre, une même source, montre que relativement à la partie rouge (normalisée entre les deux instruments), le VHIRES-MO transmet 2,1 fois plus de signal à 4100 A et 3,0 plus de signal à 4030 A. L'optique du spectro VHIRES-MO (FSQ85ED) transmet bien l'UV, j'ai pu le constater par ailleurs (sauf vers 3980 où ma configuration avec réducteur bloque brutalement).

Je poursuis l'analyse en faisiant d'autres inter-comparaisons pour bien confirmer, mais d'après ce que je juge, il n'est pas aisé de dégager un schéma d'optimisation limpide du eShel pour la partie UV. Rien n'est jamais simple ;-)

Christian
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

De nouvelles mesures de transmission des objectifs photographiques en question, cette fois en utilisant le spectrographe LISA (les optiques sont montées successivement devant le spectro, en visant la lumière solaire et aussi une lampe tungstène). La médiocre transmission des SAMYANG dans le bleu ce confirme, voici le résultat sous forme de courbes :

Image

L'objectif Samyang 85 mm f/1.2 est encore moins performant que le Samyang 135 mm f/2 sur le plan de la transmission optique (à cause de la plus grande complexité de formule surement). On voit tout de suite la chose à l'oeil sans faire le moindre calcul, en intervertissant successivement l'objectif Canon et le Samyang - dans ce dernier cas les raies H&K du spectre solaire disparaissent quasiment avec un Alpy600. Surprenant et mauvaise nouvelle.

Ma synthèse :

- à 4250 A, la limite bleu raisonnable avec le Canon de 85 mm f/1.8 sur eShel, le 135 mm f/2 absorbe environ 25% de photons en plus par rapport à ce Canon. C'est fâcheux, mais ce n'est pas encore trop dramatique

- le Sampang 135 mm f/2 donne un spectre plus fin en dessous de 4250 A que le Samyang 85 f/1.2, mais malheureusement atténue le spectre. Cependant, on observe quelque chose sur les objets relativement lumineux vers 4000 A.

- le couple 135 mm f/2 + ASI1600 MM ce révèle performant en détectivité, le sur-échantillonnage permettant d'éliminer très efficacement le principal défaut du CMOS, le bruit télégraphe (j'ai fait un diagnostic par intercomparaison notamment avec des spectres de la base BeSS). L'autre problème avec une ASI1600MM est la taille des images, vraiment imposante, et la faible dynamique, qui oblige à acquérir pas mal d'images (on rempli vite les disques durs si on garde les brutes....).

Au final, j'adopte pour ma part cette disposition Samyang 135mm f/2 + ASI1600MM, qui est la seule qui permet pour le moment avec eShel de descendre un peu en dessous de 4000 A. C'est confortable pour moi car je dispose de ce matériel, mais il faut admettre qu'il s'agit d'une assez grosse déviation par rapport à la configuration de base, avec notamment un changement sur les habitudes d'observation et d'exploitation.

Exemple de spectre d'étoile Be pris avec cette configuration (HD24479, V = 5.0) et un télescope de 25 cm (SNR = 200 @ 6563 A) :

Image

Détail de la raie Halpha avec une petite émission :

Image

et la partie bleu - où on regrette que le Samyang 135 mm ne soit pas plus transparent, car ce serait vraiment bien plus sympa (moins de bruit dans le bleu extrême) - dommage :

Image

En bonus, la transmission optique de quelques réducteurs de focale telle que je l'ai mesurée avec le LISA :

Image

Christian
Andrew Smith
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Andrew Smith »

Christian, you are taking on a difficult task. Even the professionals with custom optics split the spectra into two arms and use separate camera optics optimised individually for red and blue. Even for astronomical telescopes the FSQ is exceptional in it's coverage.

Maybe you will have to design your own super lens!

Regards Andrew
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

I agree Andrew, the problem is that we actually use generalist lens. It is not easy to find optics that meet our particular needs, and custom manufacturing is very expensive...

The Takahashi FSQ coatings are very broadband and really excellent in blue/UV region (with one exception - the FSQ focal reducer that cuts the UV, which is for me a big problem (my recent experience with VHIRES-MO, hum...).

Christian
Christian Buil
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Re: A modification for improve eShel spectrograph

Post by Christian Buil »

Je dois la vérité, le spectre de HD24479 correspond en fait en un temps de pose de 4 x 420 s et non pas 7 x 420 s, car j'ai observé avec des nuages et 3 images sur 7 sont quasiment noire !

Ceci pour dire que le très faible bruit des nouveaux capteurs CMOS est très favorables en spectrographie. On n'est pas loin de reléguer les CCD à la préhistoire pour être un peu agressif (mais un peu réaliste) ;-) Le bruit de lecture est proche de un électron (et même plutot proche de 0,7 électron équivalent, si je considère le traitement réalisé, rendu possible par la petite taille des pixels - un paradoxe qu'il faut surmonter...). On n'est pas trop loin du régime du comptage de photon.

Pour donner une idée, voici le spectre de HD24479 en ne conservant qu'une pose de 420 secondes. Le SNR est de 120 pour R=12000 alors que le diamètre du télecope est modeste et que l'on travaille à f/8, ce qui n'est pas très favorable :

A correction, the HD24479 spectrum is actually an exposure time of 4x420 s and not 7x420 s, because I observed with clouds and 3 of 7 are almost black!

This is to say that the very low noise of the new CMOS sensors is very favorable in spectrography. We are not far from relegating the CCD to prehistory to be a little aggressive (but realist) ;-) The reading noise is close to one electron (and even closer to 0.7 electron equivalent, if I consider the processing done, made possible by the small pixel size - a paradox that must be overcome ...). We are not too far from the photon counting regime.

To give an idea, here is the spectrum of HD24479 while only retain a single 420 seconds exposure. The SNR is 120 for R=12000 while the diameter of the telescope is modest and that one works at f/8, which is not very favorable:


Image

Image

La petite émission au coeur de la raie Halpha continue à être bien visble. Je suspecte qu'un temps de pose de 120 secondes serait suffisant. On voit que l'on peut exploiter un spectrographe tel que eShel pour par exemple une surveillance globale de l'activité des étoiles B (temps de pose bref = grand nombre d'étoiles observée, et avec un peu d'automatisation...). Bien sur il y a encore du travail pour bien assoir tout ceci (des campagnes d'observations sur les mêmes cibles avec des équipements divers serait bien venu en fait).

Ce n'est pas encore de la spectrographie temps réel, mais pas exemple, une telle caméra sur un spectrographe Alpy600 permet de s'en approcher. Ici il faut adapter le logiciel pour acquérir à haute cadence des parties d'images, pour filtrer le bruit optimalement, pour sélectionner et recentrer les spectres en direct (la fente peut ne plus être indispensable dans certains cas). Si on ajoute la possibilité de faire tout ceci en couleurs, on a un outil pédagogique formidable pour la spectrographie !

C'est mon prochain chantier. C'est vaste et il faut faire de la programmation - si cela interesse certains d'entre-vous, contactez moi, en privé pour le moment.

The core line small emission continues to be well visible. I suspect that an exposure time of 120 seconds would be enough. It can be seen that a spectrograph such as eShel can be used for, for example, for a global monitoring of the B stars activity (short exposure time = large number of stars observed, and by adding a part of automation...).

This is not yet real time spectrography, but using an Alpy600 spectrograph for example can approach it. Here we must adapt the software to acquire high-speed parts of images, to filter the noise optimally, to select and recenter the live spectra... If we add the possibility to display direct true color (use of color CMOS), we have a great teaching tool for spectrography!. This is my next job...


Christian B


PS : que l'on se trompe pas, l'arrivée de la caméra Atik Horizon, en plus de l'offre chinoise actuelle, va radicalement changer les habitudes des amateurs (et de certains professionnels aussi !). Je ne donne pas 5 ans pour que l'utlisation des caméras CCD devienne marginale en astronomie amateur, y compris en spectrographie (à condition que l'on continu à disposer de CMOS N&B bien sur - mais je pense que ce sera le cas).

PS: The arrival of the camera Atik Horizon, in addition to the current Chinese offer, will radically change the amateurs standards (and for some professionals also !). I do not give 5 years for the use of CCD cameras to become marginal in amateur astronomy, including spectrography (if CMOS B & W are available of course).
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