Конструирование спектрографа

[GraY25]

Раздобыл ДВС-25, проверил накал - работает.
Осталось придумать как её запустить в рабочем режиме...

[krussh]

Да, опыт в питоне есть. Было бы очень интересно посмотреть используемую математику и как делалась предварительная обработка.

1_Math_and_Stat:
утилита для математических операций с фитс-кадрами
1) необходимо указать первый операнд: один файл или папку с файлами
2) выбрать оператор
3) указать второй операнд: файл или константу
4) для вычисления среднего или медианного среднего для нескольких файлов
необходимо указать папку с файлами и тип усреднения
5) для визуализации результата - отметить поле Show result
6) для всех операндов и результата вычисляются простейшие статистики: максимум,
минимум, среднее, медианное среднее

2_Get_Spec
утилита для экстракции спектра из двумерного изображения
дисперсия должна быть ориентирована горизонтально
1) необходимо указать файл или папку с файлами
2) в окне будет показан первый (или единственный) файл для обработки
3) с помощью мыши + левая кнопка выделяется область экстракции
4) можно указать границы области экстракции непосредственно в полях Extraction area
5) кнопка h - вертикальный биннинг (суммирование строк) выделенной области -> horizontal box
6) кнопка v - горизонтальный биннинг (суммирование столбцов) выделенной области -> vertical box
7) итоговая экстракция (кнопка Extract!) осуществляется только в режиме horizontal box
если была указана папка, то экстракция осуществляется для всех файлов в папке, при этом
область экстракции одинаковая для всех файлов.
9) экстрагированный спектр сохраняется в ту же папку со старым именем "name" + _ex.fits
10) в шапку результата записываются поля в соответствии с форматом WCS (совместим с IRAF)

3_WL_solution
утилита для построения дисперсионной функции по линиям газонаполненной лампы
1) открыть файл с экстрагированным спектром лампы
2) клавиша m - отметить линию, затем необходимо ввести длину волны в терминале + enter. появится отметка.
3) клавиша d - удалить отметку.
4) клавиша f - фитировать дисперсионную функцию (длина волны от пикселя). используется полином Чебышева указанного порядка.
порядок полинома не должен превышать (количество точек-1).
5) клавиша r - фитировать ДФ (разница фитирования и измерения от пикселя).
6) клавиша d - удалить точку на дисперсионной функции, сделать повторное фитирование.
7) клавиша g - вернуться к спектру лампы с отметками линий
поле rebin позволяет задать коэффициент для интерполяции. при 1 количество точек не изменяется. для спектров с низкой дискретизацией
рекомендуется значение больше 1.
9) для интерполяции, линеаризации спектра и сохранения в файл нужно нажать кнопку 'Fit and save'
10) для клонирования дисперсионной функции, интерполяции и линеаризации других спектров нажмите кнопку Clone и выберите их (ctrl).
Новые файлы будут сохранены с добавлением к имени "_WCS".

4_Spec_View (в прошлом сообщении)
утилита для просмотра спектров в формате fits.

[GordonBrau]

Кто знает, где взять спектр для калибровки? В смысле источник с заранее точно известными линиями.
Спектральная лампа не вариант - всего 1-2 линии.

[diant]

Когда быстро надо было откалиброваться, использовал три пути:
- Солнце (наверное самый лучший калибровочный спектр)
- Экономная лампа (линий 8-10), с ИК чуть побольше (неравномерно по спектру)
- Неоновая лампа, но она только для длинноволновой части спектра хороша, там у нее лес линий (зато стоит копейки)

[GordonBrau]

Понятно, лампочки не дефицит. Лишь бы линий было побольше. Спасибо!
Но вот про Солнце не совсем понял - там практически континум.

[Алексей Юдин]

Но вот про Солнце не совсем понял - там практически континум.

А на нём линии поглощения.

[Дмитрий Маколкин]

Понятно, лампочки не дефицит. Лишь бы линий было побольше. Спасибо!
Но вот про Солнце не совсем понял - там практически континум.

Вот атлас линий в солнечном спектре:
https://bass2000.obspm.fr/solar_spect.php

или попроще:
https://www.columbia.edu/~vjd1/Solar%20Spectrum%20Ex.html

[diant]

Я еще этим люблю пользоваться, если Солнце отождествляю.

[GordonBrau]

Спасибо друзья, буду разбираться.
Просто есть мысль подкладывать, скажем так - второй строкой, калибровочный спектр под реально снимаемый. Как сделать уже решил дело за малым - воплотить.

[nolv]

Спасибо друзья, буду разбираться.
Просто есть мысль подкладывать, скажем так - второй строкой, калибровочный спектр под реально снимаемый. Как сделать уже решил дело за малым - воплотить.

Я в свое время остановился на ртутной лампе без люминофора, люминофор переизлучает и появляются яркие и нехарактерные для ртути линии. Ртутные лампы бывают компактного размера, запитать просто. Продаются под названием УФ или бактерицидных ламп, стоят недорого. В отличии от "неонок", куда могут смеси газов закачивать, с идентификацией линий у ртутных всё проще и светят ярко.
Два спектра в один кадр снимать сложно, я делал перекидное зеркало, которое могло переключаться между калибровочной лампой и выходом питающего телескопа. Снимал дарки, калибровочный, спектр, потом снова калибровочный.
Для обработки спектров есть специальный софт, он складывает кадры и, самое главное, помогает калибровать шкалу длин волн. Она часто нелинейная.

[GordonBrau]

У меня есть идея как сделать все одновременно. Все необычно. Как получится (а должно) сделать, покажу в натуре.
Кстати, Вы сказали просто запитывается. Можно подробности?

[GraY25]

Пока Солнца нет, использую самодельную пробную версию SHG как спектрограф - оч хорошие результаты.
Дисперсия 0.08А/pix. (примеры с цветной камерой, но когда "всё серьёзно" использую 2-микронную моно IMX678)

Вот такой малыш, литографическая щель 7 микрон, решётка 2400л/мм, оптика - проекционные АПО-миниобъективы (которые и на бесконечности так же хороши)
В принципе, на этом микро-монстре можно увидеть все линии которые отображены тут.



Кусок Солнца (в районе магния 518нм 3 самые тёмные линии): - скриншот с экрана FireCapture.


Поглощающий кислородный молекулярный "частокол" в ИК: - стек.


Плюс ещё в том что это не лабораторный прибор - можно воткнуть в телескоп и получить спектр какой-нибудь не оч тусклой звезды (кусочками, конечно, - весь на матрицу не влезет)

Хотя можно использовать и в "лабораторных условиях" - промерять узкополосники и даже эталоны.

Для примера - ртуть 579.1, 577.0, 546.1нм из люминесцентной лампы. (скрин с экрана)

[GraY25]

Так же в наличии простенький китайский широкополосный спектрограф на софте Theremino.
Разрешение всего 0.7нм зато огромный охват сразу 300-1200нм.
Мне кстати удалось подружить Теремино с Асишными камерами, благодаря этому появляется куча возможностей - калибровка в пару кликов, нормировка источника для промеров фильтров, усреднение налету для уменьшения шумов, идентификация пиков и провалов итд итп.

Вот для примера на него спектры Солнца и калибровочной лампады..

[diant]

GraY25, с большим удовольствием читал о вашем спектрографе, очень симпатичный. По ходу возникли вопросы:
- какой из двух объективов входной (коллиматор), а какой выходной?
- что это за проекционные АПО-миниобъективы?
- как вы фокусируетесь обоими объективами - требуется открытие крышки и действия руками, или предусмотрена возможность фоксировки в закрытом корпусе?
- тот же вопрос про вращение решетки, у вас ее можно вращать извне, без открытия крышки?
- щели, которые видны позади обоих объективов - для размещения там фильтров?
- решетку вы серьезную поставили (2400), а почему она под таким крутым углом стоит?
- в каком ее порядке вы обычно работаете?
- вы сами пробовали получить спектр какой-нибудь звезды? Если да, было бы интересно его увидеть.

[nolv]

Кстати, Вы сказали просто запитывается. Можно подробности?

Выше коллеги пишут про сложности. Для питания газоразрядных ламп тлеющего разряда (спектральных тоже) нужно повышенное напряжение. В мастерской на столе запитать не сложно, но в поле возникают сложности. Все можно решить, но УФ-лампы бывают сразу на 12VDC. Монтировка все равно питается от 12В и от тех же 12В запитывается 3Вт лампочка и маленький вентилятор, который на нее дует.

[GraY25]

Для питания ламп рекомендую https://aliexpress(точка)ru/item/1005005972629871.html
Это очень надёжный преобразователь с 12 вольт, причём выходное напряжение пропорционально входному.
То есть запитывая от лабораторного БП, можно получить любое высокое напряжение которое подойдёт лампам.
Надёжность тут важна т.к. 90% подобных поделок быстро сгорают, я их перепробовал много и остановился на этом.

@diant отвечу на вопросы чуть позже, спасибо.

[GraY25]

GraY25, с большим удовольствием читал о вашем спектрографе, очень симпатичный. По ходу возникли вопросы:

Расскажу подробнее: изначально это "пробный вариант" SHG (спектрогелиографа), на котором планировалось обкатать все решения перед постройкой более продвинутой версии с дисперсией в ашальфе < 0.05 A/pix, спектральным разрешением 0.1А, на 70-мм решётке 2400 лин/мм и оптике Askar 135FMA. Впрочем это и просто спектрограф конечно же.
Параметры предварительно рассчитаны в калькуляторе SimSpec SHG V1_5.xlsx с учётом того что есть и что можно добыть и соединить. Все доп. элементы с АлиЭкспресс, объективы с Авито.
Что получилось:
Оптика: объективы 81мм F/6
Основной угол: 28гр.
Щель: 13мм х 7микрон.
Решётка 50х50мм 2400 лин/мм.
Камера: 678М.
В Аш-альфе (где параметры максимальны): дисперсия 0.08А/pix, спектральное разрешение 0.18А, R=36000

Несколько упрощая, спектрограф делит видимый спектр на ~10 поддиапазонов по 3840 пикселов. Но может работать в ближних ИК и УФ.

Конструктив начерчен и напечатан на 3Д-принтере:



По конструктиву:
Несущий корпус с рёбрами жёсткости и крышкой. Соединения на вплавляемых гайках.
Стандартный 1.25 носик от камеры прикручен к длинной мет. трубке M42 которая крепится к корпусу хомутом на хороших винтах. Она является фактически силовым элементом, тк весь аппарат держится на 1.25" носике в фокусере телескопа.



С обратной стороны резьбы внутри носика, - вкручена литографическая щель в оправе от обычного 1.25" фильтра. По-хорошему держатели щели должны быть металлическими но у меня они тоже напечатаны самым тонким соплом 0.25мм и защищены от расплавления толстой алюм. фольгой с прорезью. Параллельность щели штрихам устанавливается ослаблением винтов и поворотом трубки (делается 1 раз)




Ротатор решётки выбран вот такой. Особо рекомендовать его не могу, да, он оч. лёгкий и маленький, но его надо ослаблять отдельным винтом а после поворота снова фиксировать, если это не сделать решётка с креплением болтается и может просто с ним вывалиться) И да, он выведен наружу.



Объективы - "широко известные в узких кругах" - Fujinon-EFC, вариант 1:6/81мм
Это одни из лучших макрообъективов которые я встречал, и о чудо - они так же хороши на бесконечности.

(кликните для показа/скрытия)

Луна на апертуру 1 см 

Объектив от фото-минилаба, можно найти на разборках на авито почти даром а можно увидеть на ебэе за 100500 денег (они реально лучше любого профессионального макро-стекла для DSLR, на своём масштабе) Хроматизм найти на фото абсолютно невозможно. Конечно, дельта фокуса от ИК до УФ имеется, но при фокусировке изображение без сферички!
Смонтированы в родных геликоидных фокусерах.

Выход - обычный переходник 2"-1.25" с кольцом. Втыкай камеру и готово.

- как вы фокусируетесь обоими объективами - требуется открытие крышки и действия руками, или предусмотрена возможность фоксировки в закрытом корпусе?

Это и хороший, и больной вопрос. Можно было бы сделать их на линейных микроподвижках, но именно эту конструкцию вообще не хотелось утяжелять. Фокусировка геликойдами только с открытием крышки. Я прекрасно понимаю насколько это неудобно - свет начинает всё заливать, надо менять гейн и выдержку, потом обратно..
Пока вижу вот такое решение - в лаб условиях 1 раз сделать фокусировку-калибровку и нанести на объективы метки положений, чтобы под определённую длину волны, устанавливать не глядя в монитор и не меняя параметров.

- щели, которые видны позади обоих объективов - для размещения там фильтров?

Нет, это просто оптический тракт))

- решетку вы серьезную поставили (2400), а почему она под таким крутым углом стоит?

Это её нормальный угол для водорода! Ведь чем больше штрихов тем больше угол дисперсии. А при 3600 штрихах, при перпендикулярном падении, первый порядок вообще за плоскостью решётки (недоступен)
В целом именно использование такой решётки позволяет сделать конструкцию компактной и с высокими параметрами.

- в каком ее порядке вы обычно работаете?

1-й, бОльшие порядки недоступны.

- вы сами пробовали получить спектр какой-нибудь звезды? Если да, было бы интересно его увидеть.

Пробовал но не снимал, всё ок! Правда на простенькой монтировке (Nexstar на подоконнике) - сложно удерживать звезду на щели 7 микрон, но думаю в след. раз сделаю небольшой дефокус и должно сняться норм. Вообще, тема звёздной спектроскопии очень интересна!

PS. Сейчас в вялотекущем режиме делаю подбор компонентов и проектирование для второй версии, на Аскарах 135FMA.

[ysdanko]

Как бы все логично.... Но!  Вертится вопрос...Нафига в семедесятых- возмедесятых, делали решетки 150х150мм. ?

Ну и конкретный вопрос по размеру шели. 7мкм. это "нормальная" щель? Или размер взят из того, что было на авито? Мне кажется, что 7микрон, это перебор... Оптимальный размер щели, берут с учетом того, что бы пятно дифрмаксимума заполняло две трети апертуры коллиматора.

[GraY25]

Как бы все логично.... Но!  Вертится вопрос...Нафига в семедесятых- возмедесятых, делали решетки 150х150мм. ?

Ну и конкретный вопрос по размеру шели. 7мкм. это "нормальная" щель? Или размер взят из того, что было на авито? Мне кажется, что 7микрон, это перебор... Оптимальный размер щели, берут с учетом того, что бы пятно дифрмаксимума заполняло две трети апертуры коллиматора.

Может раньше просто не умели в 2400 л/мм и больше?
Разрешение же зависит от количества засвеченных штрихов, и раз нельзя сделать бОльшую плотность, приходится делать больше размер..

Литографическая щель (металл на стеклянной подложке) просмотрена и промерена под микроскопом, ширина 7 микрон +/- 0.5
Не знаю насчёт чисто спектрографа, но для спектрогелиографа важно не только спектральное, но и пространственное разрешение.
Изображение Солнца в фокусе щели, ею "сканируется", и фактически "семплируется".
В целом я слышал авторитетное мнение что оптимальная ширина щели = 3х размер пиксела, что тут как раз соблюдается.
Ну и, семплинг линий на пикселах матрицы получается прям такой что Найквист бы одобрил)

[diant]

GraY25, огромное спасибо за развернутый ответ. Не читал, а штудировал. Про объективы EFC только узнал, видимо был "не в теме", хотя Толя Крылов мне когда-то намекал. Сам использовал всяко разно (например, EL-Nikkor) и конечно всегда сталкивался с продольной хроматикой и сферичкой. Посмотрел EFC на авито - нема предложений. Видимо все минилабы раскурочили уже. Еще маленько вопросов набралось.

- вы какую решетку 50х50/2400 покупали, с блеском на 500нм?
- У вас угол 28° жестко прошит. А не было бы толку, если бы он был немного регулируем?
(Почему спрашиваю - у меня на просветом спектрографе он регулируется и это часто полезно, потому что яркость спектра может ощутимо меняться при разных положениях решетки, и перемена угла помогает найти оптимум угла).
- Правильно я понимаю, что с решеткой 2400 вы ограничены примерно 700нм с ИК конца? То есть главную полосу атмосферного кислорода (760) этого спектрограф уже не достанет?
- Посмотрел про литографическую щель 7мкм на кварце с OD7+ - вы эту использовали?
- Про «китайский широкополосный спектрограф». Нашел фотки разобранной китайской корбочки под Теремино - там вообще супер простота. У вас такой же?

Ну и мысль конечно сразу мелькнула. Выставить звезду точно на щель и удерживать ее там - тоже задача. Какие тут могут быть решения на любительском уровне?