Конструирование спектрографа

[Ivan7enych]

Пересобираю спектрограф в новом корпусе. В качестве коллиматора после щели опробовал старенький объектив apo-nikkor 300/9 - отлично работает, хроматизма по красному зеленому синему светодиоду я не обнаружил, на ебее они попадаются от 50 до 150$.

Неожиданно вылез вопрос - как правильнее наклонять решетку, чтобы 1й порядок спектра падал справа или слева от прямого отражения? (как на верхней или нижней части картинки?) От этого немного меняется и масштаб линий (какой кусок спектра влезает в кадр), и что важнее пространственные искажения (центр спектра сдвигается в сторону).

[Ivan7enych]

пространственные искажения (центр спектра сдвигается в сторону).

Как пример, вот 2 спектра лампы дневного света снятый справа и слева. После разворота кадра и выравнивания масштаба линии не складываются друг с другом. В идеале хочется видеть, что каждые 100нм спектра укладываются на кадре в одинаковое число пикселей. В каком варианте это достижимо, или оба варианта имеют свои искажения?

[Gleb1964]

Решетка профилированная? Есть на решетке стрелочка, показывающая направление концентрации?
Если есть, надо учитывать профиль. Кроме того, у решетки есть кривая эффективности, в зависимости от длины волны и для двух поляризаций. Обычно кривую эффективности расчитывают или меряют в автоколлимации по схеме Литтрова. Это конфигурация наименьшей дисперсии, а также наиболее линейного спектра.


Когда хотят получить большую дисперсию, входящий свет направляют ближе к нормали решетки. Тогда, для профилированной решетки выбор из двух первых порядков тоже очевиден - тот, который в направлении максимальной концентрации, обычно указываемом стрелочкой на решетке.

[Ivan7enych]

Решетка профилированная? Есть на решетке стрелочка, показывающая направление концентрации?

Решетка профилированная, если на нее светить перпендикулярно - 1й порядок с одной стороны гораздо ярче 1го с другой, но стрелок на решетке не было.

[nolv]

Неожиданно вылез вопрос - как правильнее наклонять решетку,

Правильно по второму варианту. Решетка должна стоять перпендикулярно оси объектива приемника.
Масштаб линий меняется из-за Grating Anamorphic Magnification (забыл как по-русски это правильно называется). Изменяется сечение пучков.

[diant]

Масштаб линий меняется из-за Grating Anamorphic Magnification

Анаморфное увеличение меняет масштаб в целом, а вот в чем причина нелинейного искажения масштаба - это вопрос... Я замечал то же самое у себя, но меня это сильно не беспокоит (при наличии опорного спектра с достаточным количеством опорных линий).

Иван, о выборе угла написано здесь (step 3, 9 etc)

[nolv]

а вот в чем причина нелинейного искажения масштаба - это вопрос...

Угол наклона пучков меняется в зависимости от длины волны.

[Gleb1964]

Правильно по второму варианту.

В данном случае второй вариант лучше хотя бы тем, что решетка больше, чем апертура коллиматора и с большим наклоном апертура решетки используется эффективнее. Искажения спектра ближе к нормали будут минимальными. Желательно, чтобы решетка была в переднем фокусе объектива, тогда будет телецентрический ход лучей на матрице. Это особенно желательно для матриц с микролинзами.

[Ivan7enych]

Неожиданно вылез вопрос - как правильнее наклонять решетку,

Правильно по второму варианту. Решетка должна стоять перпендикулярно оси объектива приемника.

Спасибо. Как я понимаю, все длины волн от щели падают под одним углом к решетке, а отражаются под разными - и вот для этого расходящегося пучка направлений шаг решетки * косинус угла должен меняться как можно меньше. Тогда и искажений будет минимум.

Иван, о выборе угла написано здесь (step 3, 9 etc)

У него странно, вверху статьи решетка стоит перпендикулярно оси камеры, а ниже в статье - перпендикулярно оси коллиматора со щелью. То есть проблемой искажений масштаба он не заморачивался.

[diant]

У него странно, вверху статьи решетка стоит перпендикулярно оси камеры, а ниже в статье - перпендикулярно оси коллиматора со щелью.

Он подробно разбирает оба положения, показывая их преимущества и недостатки (формулами).

То есть проблемой искажений масштаба он не заморачивался.

Простое линейное изменение масштаба проблемой не является - спектр ведь легко масштабируется. (У него там есть формулы, как меняется масштаб и разрешение в зависимости от анаморфного фактора и угла отражения.)
А вот нелинейное искажение масштаба, как на ваших двух снимках выше, - тут, увы, причины сам не знаю.

[Gleb1964]

У него странно, вверху статьи решетка стоит перпендикулярно оси камеры, а ниже в статье - перпендикулярно оси коллиматора со щелью. То есть проблемой искажений масштаба он не заморачивался.

Так нет правильного решения на все случаи жизни. В сканирующих монохроматорах постоянным является угол отклонения, поэтому преимущественно используется близкое к нормали направление от коллиматора, при этом решетка качается вблизи этого направления. В спектроскопе фиксирован угол падения на решетку, а спектр идет под разными углами - здесь, для уменьшения нелинейностей спектра, выгоднее иметь камеру близко к нормали.
Но это не железные правила на все случаи жизни, а только если есть приоритет линейности спектра.

[ilch63]

Посмотрел в гемологический спектроскоп  спектр пропускания эталона, который  для коронадо ПСТ называется даблстэк. Увидел очень тусклую широкую красную полосу. Заинтересовался этим и нашел Вашу тему.
В coronado 40 блокфильтр содержит в себе эталон  Фабри - Перо, как в ПСТ? Или наоборот ПСТ не содержит в себе эталона? Я не видел оптической схемы этих инструментов.

[GraY25]

Тоже решил построить спектрограф.
Для промера фильтров и разнообразных опытов.

Пока собраны некоторые компоненты:

1. Лампы КГМ12-100 (кварцевые галогенки 100Вт 12В для оптических приборов) с блоками питания.
2. Конденсор двухлинзовый 170мм для засветки щели.
3. Щель Ломо б/у. Состояние не идеальное, но при некотором диафрагмировании краёв вполне норм.
4. Коллиматор - ахромат Lunt 60х500мм, будет задиафрагмирован до 40мм итого F/12.5 наверное норм.
5. Диф. решётка СССР 50х40мм 600лин/мм с паспортом. Пик отражения 500нм коэфф. отражения первого порядка 85%+
6. Nikon AF 24-85/2.8-4D - хороший объектив.
7. ASI533MC или что-то монохромное позже.

Для калибровки есть водородная трубка, ей нужен специфический блок питания, его создание в процессе..

[Хрущев]

В coronado 40 блокфильтр содержит в себе эталон  Фабри - Перо, как в ПСТ?

Если ещё актуально, эталон даёт "расческу" множество узких равноудаленных друг от друга пиков в широком диапазоне - их вы и видели в спектроскоп. А узкополосный фильтр вырезает из всего набора один нужный пик.

[Хрущев]

Для калибровки есть водородная трубка

Так вы проведёте калибровку по длине волны, а как планируете калиброваться по интенсивности на разных длинах волн? У вас ведь цветная камера, байеровские светофильтры пропускают не пойми как, да и пропуск спектра у них между синим и зелёным. К тому же эффективность пикселей сильно зависит от глины волны. Я уже не говорю про искажение спектра на линзах и решетке. По идее вам нужен для калибровки эталон линейчатого спектра с известной зависимостью интенсивности от лямбды, аргон например. По звезде с известным спектром ещё можно, но там свои проблемы...

[Дмитрий Маколкин]

Это смотря какие задачи ставить.
Если есть желание измерять полосу пропускания фильтра, достаточно иметь высокостабильный источник света, а измерение проводить методом сравнения: без фильтра - 100%, с фильтром - Х%.
Тут важнее линейность отклика сенсора.

[Хрущев]

В этом случае получается одноточечная калибровка , а экстраполяция к нулевой интенсивности приведет к завышению результатов. Конечно если снимать темновой ток детектора на интересующей лямбде и построить график по двум точкам, то наверно можно получить относительно точный результат. Для фильтров ошибка в пропускании плюс-минус 2-5% уже существенна для перфекционистов 

[Дмитрий Маколкин]

Конечно если снимать темновой ток детектора на интересующей лямбде

Просто темновой ток. Лямбд при этом на детектор по определению никаких не падает

А так - да, калибровка нуля, работа на линейном отрезке передаточной функции. Не вижу сложностей вытащить лучше 1%.
Закрыл шторку - 0%, открыл - 100%, вставил фильтр - N%.
И так по всему спектру.
Но можно и с разверткой. Да много как можно.

[Хрущев]

Просто темновой ток. Лямбд при этом на детектор по определению никаких не падает

Таки нет) темновой ток нужно снимать на тех пикселях на которые настроена интересующая длина волны с помощью диф. решетки. На разных участках матрицы темновой ток будет отличаться, плюс битые пиксели...

[Дмитрий Маколкин]

Просто темновой ток. Лямбд при этом на детектор по определению никаких не падает

Таки нет) темновой ток нужно снимать на тех пикселях на которые настроена интересующая длина волны с помощью диф. решетки. На разных участках матрицы темновой ток будет отличаться, плюс битые пиксели...

Ну да, для каждого пикселя снимается свой темновой ток. Это азы калибровки.
Предположим мы не используем спектрограф в режиме монохроматора, т.е. без выходной щели.
На сенсор у нас проецируется весь интересующий нас диапазон спектра.
Сначала снимаем дарк для всего сенсора, потом включаем источник и снимаем спектр без фильтра - это наш флет, а потом - спектр с фильтром, это наш лайт.
Калибруем лайт дарком и флетом (флет тоже калибруем своим дарком, там много вариантов), получаем пропускание фильтра.

Если мы используем спектрограф для регистрации спектров небесных объектов, то тогда надо калиброваться по эталонному источнику с известным распределением энергии в спектре. Насколько я помню, для видимого спектра использовались ленточные лампы накаливания.

Т.е. фактически мы имеем три вида калибровки, по длине волны - для этого нужен источник линейчатого спектра, газоразрядные лампы низкого давления, второй - относительная калибровка - когда измеряем пропускание фильтра относительно его отсутствия, и калибровка по спектральному распределению потока энергии, для спектрофотометрии источников света.