L'autocostruzione di spettroscopi
Self making of spectroscopes
Costruzione di un semplice spettroscopio didattico con CD rom
Making of a simple CD spectroscope
E' da tempo che ho provato ad usare pezzi di CD Rom come reticoli di diffrazione, con scarso successo, forse dovuto al fatto che sono stato prevenuto nei confronti di tale sistema per alcuni motivi; la scarsa consistenza del supporto plastico, non certo lavorato a tolleranze ottiche, la debole consistenza delle righe, segnate con il laser e non orientate, che danno luce diffusa e diffondono lo spettro nei diversi ordini , la probabile sovrapposizione degli ordini stessi che "annega" ulteriormente lo spettro alle sue estremità, nel rosso e nel blu.
Tuttavia,tenuto conto che molte persone ritengono di avvicinarsi alla spettroscopia con tale sistema, sperimentando con una spesa praticamente inesistente le difficoltà ed i risultati di questa disciplina, ho ritenuto di provare ad assemblare con mezzi semplici ed alla portata di chiunque uno spettroscopio didattico solare che permette di osservare le principali righe di Fraunhofer e non solo,ed eventualmente riprenderle con una webcam (con la necessaria pazienza).E' bene, tuttavia precisare che tale strumento ha solo finalità didattiche , nel senso di mostrare a sè od ad altri le possibilità della spettroscopia astronomica amatoriale:Per un uso più serio e definitivo, possibilmente anche stellare, il progetto andrebbe opportunamente rivisitato.
E' bene inoltre precisare, che anche con mezzi semplici, occorre essere rigorosi e quanto più possibile precisi nell'allineamento delle ottiche e del sistema in generale, nonchè nell'assemblaggio della fenditura, che in questo caso ancor di più costituisce il cuore del sistema e tende a rimediare alla modesta qualità del "reticolo" , quindi escludere fenditure di cartone, di plastica, di legno, etc ed usare lamine di ottone , alluminio, od acciaio opportunamente lavorate ovvero, se si vuole usare un sistema più semplice, due lame di temperamatite, come spiegato in questa pagina web.Lo strumento dovrebbe inoltre consentire la sostituzione del reticolo di CD Rom con un reticolo vero, per potersi avvantaggiare in futuro di una risoluzione ed incisione molto più elevata e soddisfacente, se la cosa appassiona e si ritiene di andare avanti.
Con tali premesse e sulla base di queste, ho assemblato il seguente strumento:
1) Reticolo di CD
Ho provveduto innanzitutto a scegliere, traguardando una fonte di luce luminosa (una lampadina alogena) a scegliere il CD a mio avviso migliore: ossia quello che, rivolto verso la lampada e leggermente ruotato con le dita dava un immagine dello spettro (la riga multicolore) ben definita ai bordi, senza diffusione e con riflessi e distorsioni contenuti.
Ho, quindi tagliato una "fetta" di CD Rom di circa 4 x 4 cm con delle cesoie, usando solo le punte per intaccare il supporto ai bordi prima, e poi pian piano a tratti avanzare sino a che lo stesso non si rompe naturalmente come il vetro, anche se in modo non perfetto e diseguale (ma ciò non ha molta importanza).Ovviamente il mio è un sistema primitivo ed ognuno potrà sperimentare il proprio, va bene anche, per chi ce l'ha, un disco diamantato su un trapanino da Hobby (montando occhiali protettivi e stando attenti agli eventuali schizzi di materiale plastico).
Infine ho preparato un supporto di plastica (ma va anche bene legno od alluminio) appena più grande della fetta di CD sul quale incollare quest'ultimo con biadesivo, rifinendo i bordi frastagliati con nastro adesivo nero.La base del supporto va forata per far passare e fissare un pezzo di barra filettata di diametro opportuno (va bene da 4 mm) che costituirà l'asse del reticolo, la cui rotazione permetterà di esplorare le zone dello spettro da osservare.L'asse andrà opportunamente fissato sulla scatola contenente il reticolo facendolo passare attraverso due fori sulla scatola stessa: i fori per l'asse dovranno essere posizionati in modo tale che il pezzo di CD sul suo supporto sia centrato, alla inclinazione di lavoro, su entrambi i fori per le ottiche ottenuti sulla scatola, e centrati sui lati di quest'ultima (vedi figura).
Since a longtime I've been trying to use a CD rom as a diffraction grating, but results were not satisfying, probably for the not good quality of substrate, the disuniformity of laser trace,the overlapping of orders and so on.Anyway,considering that many people want to begin a first approach to spectroscopy by simple and unexpensive means, I made a project of such a simple spectroscope, that can show visually the main Fraunhofer lines on the sun, and eventually imaging them by a webcam.I'ts to underline that such an instrument can only be useful for a first sight of sun of light lamps spectra, and can neither reach the perfomances , in spectral dispersion and resolution, of a real grating spectroscope,nor be used on the stars.In this simple instruments too, it's necessary a particular attention to optical alignment.
The instrument is built as follows:
1- CD grating
I first choose, looking at a bright source, the best CD rom to use: making some rotation, the bright multicolor line on it must be as straight and with less stray light as possible.Then, with a good pair of garden scissors, I cut a small piece of CD , quite rectangular , about 4 x 4 cm.Be careful to wear protective glasses while doing the job, to protect your eyes from some scratches on CD and small pieces ejecting from it during the cut.Obviously my it's a primitive system, and everybody can use the cutting system they think better.After, I cut a piece of PVC (but plywood works the same) to use as support for the "grating"' which was tapered at the scratched edges.The PVC base had a 4 mm longitudinal hole for a threaded 4 mm bar that acts as grating axis .This axis will be inserted, with the grating, into two 4 mm holes on the box: these holes will be done in both sides,in the points in which the grating will be centered respect to both the two big holes at 90° with the optics (see the image).
2- Ottiche e la fenditura
La parte più complicata è stata forse quella di trovare due piccole lenti di focale adeguata (5-6 cm) da usare come collimatore ed ottica di osservazione, e sufficientemente piccole da entrare in barilotti da circa 30 mm.Ciò per non stravolgere la filosofia del sistema e rendere lo stesso facilmente maneggiabile.Tengo a precisare, a tale proposito che le lenti di collimazione e osservazione non sono un "optional" per gli spettroscopi in genere (salvo casi specifici) e per questo in particolare, dato che svolgono la importantissima funzione di rendere collimato il fascio ottico proveniente dalla fenditura ed in uscita dal reticolo, collimazione che è essenziale, a mio avviso, quando la risoluzione e la qualità del supporto lasciano a desiderare.Comunque, le lenti da me usate sono state una lente semplice di un cercatore 5x 24 ed un doppietto di circa 25 mm, entrambi di circa 6 cm di focale,e sono state inserite a pressione , la prima in un barilotto con la fenditura, la seconda nel portaoculari.Entrambi i barilotti sono stati poi inseriti in controbarilotti sistemati con delle viti parker sulla scatola, come si vede dalla figura che segue.L'ottica della fenditura (D) va spostata nel suo barilotto sino a che l'immagine della fenditura stessa è la più nitida possibile e questa appare a fuoco.L'ottica di osservazione andrà probabilmente leggermente fatta scorrere nel suo barilotto sino a che, in relazione all'oculare usato, si otterrà un'immagine sufficientemente nitida delle righe.
2- Optics and slit
The only complication was to find some simple optics of short focal lenght (5-6 cm) and ,to act respectively as collimator and observation element, little enough to enter in about 30 mm barrels, this to follow the system philosophy and make the small instrument as simple and lightweight as possible.I must underline, about this , that collimation and observation optics on such a system are not an optional, but absolutely necessary, in my opinion, to make it usable.The lens used were a simple plane - convex lens from a 5 x 24 chinese pointer as collimator and a small 25 mm doublet, as observation lens,both of about 6 cm FL.The collimator was then inserted in a small plastic barrel with the slit at its end, and made sliding in it until the slit image was perfectly in focus.The observation lens was inserted in a 31.8 mm adapter, and must slide back and forth to reach the focus.Both were put into a 31.8 eyepiece holder,at the top of the box.
he slit was obtained by two pencil sharpners blades, attached to a metal base by a biadesive ribbon.They were shut at about 1/20 mm interposing between them a thin aluminum foil for food.
Lo strumento, assemblato , appare come nella seguente figura:
The whole instrument appears as follows, and its spectral dispersion was about 0,67 A/pixel with 5,6 micron pixels of a Philips Toucam webcam.
Il suo uso visuale appare sufficientemente appagante, dato che permette, muovendo leggerissimamente l'asse del reticolo, di osservare le più importanti righe dello spettro solare.
La ripresa, anche con una semplice webcam, appare tuttavia più laboriosa in quanto, vuoi per la modestie delle ottiche, vuoi per le caratteristiche del reticolo, la messa a fuoco è critica e varia notevolmente a seconda delle zone spettrali.Si può ,tuttavia, avere un'immagine accettabile di alcune principali linee, come dimostrano le figure che seguono. La dispersione spettrale, mostrata nell'ultima figura, è stata più che buona, fornendo sulle righe del Magnesio , con il soft Vspec, il valore di 0,67 a/Pixel con pixel di 5,6 micron, di tutto rispetto per il tipo di strumento.Notare che le linee maggiormente a fuoco sono risultate quelle centrali del Mg e del Na, mentre quelle estreme , Ha e Ca sono leggermente fuori fuoco: non so se ciò è stato causato da un leggero disallineamento delle ottiche, ovvero dal fatto intrinseco dello spettro fornito dal CD, curvo agli estremi, dove sicuramente, peraltro, si registra una sovrapposizione degli ordini.In definitiva, per tirare le somme, un simile strumento appare più che degno per finalità didattiche ed illustrative sullo spettro solare e la spettroscopia in genere.
The imaging by a simple webcam is not simple, because the critical focus and (probably due at spectrum curvature and the refraction optics) its variability in function of wavelenght, anyway, it's possible obtain a quite acceptable images of the main solar spectrum features, as follows:
Modelli più sofisticati, ma senz'altro molto più perfomanti, sono quelli che seguono nella presente trattazione
Un semplice spettroscopio solare a reticolo di diffrazione
A simple solar spectroscope with a diffraction grating
Alcuni anni fa, complice l'impossibilità di effettuare sempre osservazioni astronomiche serali o notturne, ho scoperto il mondo del cielo diurno, e con esso l'osservazione del sole, che, com'è noto a tutti, si risolve quasi sempre nell'osservazione delle macchie solari, nella determinazione del numero di Wolf, etc.Tale attività, per quanto degna del massimo rispetto, non mi ha fatto appassionare più di tanto, e mi sono pertanto dedicato alla scoperta ed all'esplorazione dell'affascinante mondo della spettrografia solare.Il primo ostacolo che mi si presentò fu il reperimento dei materiali per la costruzione di uno spettrografo "fatto in casa", dato che non intendevo sobbarcarmi l'onere di una notevole spesa per acquistare uno strumento presente sul mercato.Fortunatamente, un caro amico astrofilo venne incontro alle mie esigenze facendomi dono di un reticolo di diffrazione che, seppure non in perfette condizioni, poteva servire al mio scopo.Mi dedicai quindi al progetto di uno spettroscopio non autocollimante, che a mio avviso, da principiante, dava maggiori garanzie sull'assenza di riflessioni interne di luce, suscettibili di abbassare il contrasto.L'unico vincolo che mi posi fu quello che lo strumento dovesse essere totalmente assemblato in casa, e ciò non per tirchieria, ma per dimostrare, a me stesso ed agli altri, che con una sufficiente determinazione chiunque può autocostruirsi un tale strumento con poca spesa (i reticoli di diffrazione sono reperibili presso alcune ditte, quali la Edmund Scientifics americana, per pochi dollari, a patto che non si cerchino qualità elevate ed elevati livelli di risoluzione per mm.).Feci quindi il progetto che segue.
Attenzione, comunque, mai puntare uno spettroscopio senza una fenditura molto stretta (almeno 1/10 di mm ) verso il sole, può essere molto pericoloso per gli occhi.
Few years ago,considering the difficulties of stargazing from a severe polluted area like Rome,I've been interested in solar observations,not only limited to solar sunspots ,but also in solar spectrography.My first solar spectroscope was the one reported in the following project.The only limitation I obliged myself to follow was the overall cost,that ought to be not much more than $ 200.I used a diffraction grating that a friend of mine kindly gave to me, but ruled diffraction gratings of 600/ 1200 grooves p. mm. are in stock c/o Edmund Industrial Optics for nothing more than $ 70/100.The grating must rotate on its own axis to make possible to explore the whole spectra.The model of spectroscope was of not-autocollimatig type, to avoid internal reflections I knew to be usual in the autocollimating spectroscopes.I gave particular attention to choose the collimating lens (the one focused on the slit) but it's useful a binocular objective lens,that's is easy to find for a few dollars.A lens like that may also be used as observation lens.I used as collimating lens a 50/ 300 lens I owned and as observation lens a 60/ 415 Japanese refractor,but every kind of optics may practically be used, with the limitation that the lens coating must have a wide band pass.The slit, that may consist of two pencil sharpener blades mounted at a distance of at least 1/10 mm, is put at the entrance of light.One can notice that such a wide slit opening is related to the collimating lens F number and the order of spectra being examined .I usually explore the order two, considerable wider but less bright than the one of the first.In any case the slit opening must be set in function of optics and order, and be determined by attempts.Hereunder is the first project of my solar spectroscope:
Be careful: never attempt to aim a spectroscope or any spectra observing device to the sun without a slit with a very small aperture at least 1/10 mm: otherwise severe injury to your eyes may result !
Nella figura è mostrato un semplice progetto di spettroscopio da assemblare in casa con pezzi di recupero e con una spesa limitata al reticolo di diffrazione ed alle ottiche: nel mio caso queste ultime erano già in mio possesso (un rifrattore 50/300 ed uno 60/415), ma possono essere vantaggiosamente usati anche doppietti di binocoli od ottiche di fotocopiatrici, facilmente rinvenibili a poco prezzo.La fenditura è costituita da lame di temperamatite fissate su di un supporto e poste ad una distanza di almeno 1/10 di mm o inferiore.
La seguente immagine a bassa risoluzione dello spettro solare può soltanto rendere una lontana idea di come appare l'immagine dello spettro stesso all'oculare dello spettroscopio
The following low resolution image can only give a modest example of the appearance of solar spectra at the ocular of the spectroscope
COGOS
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" COGOS" è l'acronimo di "COncave Grating Opticsless Spectroscope" nel quale sono stati usati i seguenti elementi;un reticolo di diffrazione a riflessione surplus proveniente da un monocromatore, presumibilmente di 600 l/mm (ma il dato non è certo) da 40 x 50 mm, una fenditura regolabile. Il reticolo, che ha come supporto uno specchio concavo rettangolare 40 x 50 mm di 120 mm di focale non necessita di ottiche aggiuntive, in quanto funziona sia da collimatore che da visualizzatore del fascio diffratto, ed è stato alloggiato, come al solito, in un box quadrato di alluminio 80 X 80 mm filettato 42 x 1 su due facce.La movimentazione del reticolo stesso originariamente col solito sistema a molla,è stato poi migliorato con un sistema a due ruote dentate di plastica mentre la fenditura regolabile, anch'essa autocostruita, è posta sul suo fuoco , e quindi a circa 120 mm di distanza .Ovviamente tale spettroscopio, estremamente compatto, usato da solo è a bassa risoluzione data la modesta focale del reticolo. C'è da dire, a proposito di questo, che la messa a fuoco da una banda spettrale all'altra, ad es, dal blu al rosso, richiede una grande escursione della messa a fuoco in quanto il reticolo stesso focheggia ,ruotando, su di un cerchio, detto "di Rowlands".Per tale motivo, al box è stata inizialmente applicata una messa a fuoco a cremagliera di notevole escursione, successivamente sostituita da una messa a fuoco ricavata da un obiettivo fotografico.Per incrementare la risoluzione lo spettroscopio può essere applicato al primo fuoco di un telescopio rifrattore, il cui fuoco cada sulla fenditura, in modo da avere l'immagine solare direttamente in ingresso nello spettroscopio, che funziona come modesto (anche troppo) spettroelioscopio. Un primo approccio in tal senso è stato effettuato applicando lo strumento al primo fuoco di un rifrattore cinese 60/350 (comprato in un mercatino a 20 €) di qualità ottica discutibile, ma con l'enorme vantaggio di pesare tanto poco da poter essere applicato allo spettroscopio anzichè il contrario, e formando con questo un complesso portatile, che tuttavia è capace di una rispettabile dispersione di 0.235 A/Pixel con una webcam con pixel da 5.6 micron. "COGOS" for COncave Grating Opticsless Spectroscope, in which I used the following components: a concave reflection grating, coming from a monocromator, presumibly 600 l/mm (but I'm not sure) 40 x 50 mm in dimension, and a slit.The grating is obtained from a concave rectangular mirror 40 x 50 mm, 120 mm of focal lenght ,and does not need of other optics , for it act both as collimator and camera or eyepiece objective , as it acts both as collimator and as camera or eyepiece optics.It was placed into a square box 80x 80 mm threaded 42x1 mm on two faces.The grating's motion was assured with the usual spring system, while the adjustable slit, also selfmade, is situated at the focus of the grating.Obviously such a spectroscope, if used "stand alone" is to be considered a low resolution one for the short focal lenght of the grating.One must say, furthermore, that the focusing range from a spectral band to another (say , from green to red) needs a wide focuser excursion, for the grating, rotating on its axe, focuses on a circle, called "Rowlands circle" for that I applied at the box a long excursion rack and pinion focuser. To increase resolution, the instrument can be applied at the prime focus of a refractor,A first experiment like this was done with a small 60/350 chinese refractor, bought at surplus market for only 20 €, surely not of high optical quality, but light enough to be applied to the spectroscope, instead the contrary.Such a setup reached the noticeable resolution of 0.235 A/Pixel in the 2nd order.The negative point of this realization is the grating motion system, that doesn't appear anymore sufficient for the resolution level.The positive point is that the instrument is a high resolution, low dimensions and absolutely portable spectroscope, almost easy to assemble.
Di seguito sono mostrate alcune immagini dello strumento assemblato e nelle sue parti principali: There are some images of the instrument, assembled and disassembled:
Il reticolo concavo di surplus (600 l/mm?) 120 mm FL The concave surplus (600g/mm?)grating 120 mm FL
L'intero strumento assemblato e pronto per l'uso The instrument assembled and ready for use
COGOS col rifrattore 60/350.Tra i due è stato inserito un flip mirror per poter puntare la zona del disco solare della quale si intende osservare lo spettro.Notare che per tale funzione al rifrattore è stato applicato un filtro in Astrosolar, che sarà tolto per la ripresa dello spettro.Assicurarsi, prima di porre l'occhio all'oculare del flip mirror, di aver messo il filtro. COGOS with the 60/350 chinese refractor. A flip mirror was inserted among the two elements in order to permit the visualization of the zone of solar disk to be observed.Note that, for such function, to the refractor was applied an Astrosolar filter ,to be taken off for the spectrum observation.Be sure, before applying your eye to the eyepiece, that the filter is in place.
Questo è il tripletto del magnesio come ripreso col suddetto strumento applicato al rifrattore 60/350, alla dispersione di 0.235 A/pixel.Immagine ottenuta dalla media di circa 200 immagini singole di un file Avi con una camera Philips Vesta.Notare il notevole numero di righe visibili all'interno del tripletto.L'identificazione delle righe principali è stato effettuato con l'aiuto del programma VSpec.Notare la riga del Fe 1 a 5250 A, particolarmente sensibile ai campi magnetici delle regioni attive. This is a photo of the Magnesium triplet taken with the instrument at the focus of a 60/350 refractor, with a resolution of 0.235 A/Pixel. Image stacking of an Avi film by a Philips Vesta camera. Note the noticeable number of lines visible inside the triplet.Main lines identification was done by the VSpec program help. Note, also, the iron (Fe1) line at 5250 A , very sensitive to magnetic fields of active regions, 
Le immagini seguenti mostrano il doppietto del sodio a 5890 e 5896 A e la riga Ha a 6563 A, riprese con le stesse modalità precedenti: The following images are of sodium doublet at 5890 and 5896 A and of Ha line at 6563 A, shot by the same setup and at same resolution
Ulteriori Miglioramenti di COGOS COGOS' Further improvements
Il 2 giugno 2005 sono stati sperimentati ulteriori miglioramenti al progetto COGOS, miglioramenti assolutamente semplici, ma che hanno permesso di più che raddoppiare la dispersione raggiunta in precedenza, raggiungendo un limite di 0.08 A/pixel con una webcam con pixel da 5,6 micron,dispersione che ritengo veramente il limite massimo raggiungibile lasciando lo strumento così compatto senza stravolgerne la filosofia, che è, appunto quella di spettroscopio a media - alta risoluzione usabile sia in modalità "stand alone" in low res, sia applicato ad un telescopio in medium - high res.Una soluzione intermedia, che , come si vede, consente di raggiungere risoluzioni di tutto rispetto, è quella di applicare lo spettroscopio solare ad un piccolo rifrattore e/o ad un teleobiettivo di 350/400 mm di focale .Stavolta ho usato un rifrattorino ancora più leggero, quasi un cercatore, da 50 mm D e 350 mm di focale.La differenza rispetto alla modalità precedente è che èstato aggiunto, immediatamente prima della fenditura, un duplicatore di focale Kenko 2X e, al focheggiatore prima della camera, un barlow Celestron Ultima 2X: inoltre la fenditura (chiusa a ca. 1/10 di mm è stata ulteriormente chiusa a circa 1/15 mm).Il setup di COGOS, che in questa versione presenta un peso di 1,8 Kg (all'incirca quanto una buona camera CCD) ed una lunghezza complessiva di soli 56 cm, si presentava così: Last june, 2, 2005 I experimented a serie of further improvements to COGOS: improvements absolutely simple, but capable to make me double the resolution level previously reached, till 0.08 A/pixel that ,I believe, it's the maximum resolution that one can reach without a total change of the project's philosophy : a portable, stand alone or applied to a small telescope, medium-high resolution solar spectroscope.This time I used a very small and light chinese refractor (50/350) a bit more heavy than a finder focused onto the slit.The real news was the use of a 2X Kenko teleconverter inserted just before the adjustable slit , and a 2x bCelestron barlow lens.Remember that the concave grating needs no optics, so the two teleconverters simply amplifie the convergent light beam (ca. 120 mm focus) of the grating.This setup, showed below, weights only 1,8 Kg (the weight of a good CCD camera) and is only 56 cm long: not bad for such a resolution level.
Nelle immagini che seguono sono riportati sia l'immagine del tripletto del magnesio alla nuova risoluzione, sia il confronto di quest'ultima con quella precedente, a più bassa risoluzione (0,23 A/pixel).La risoluzione di 0,08 , che permette di apprezzare anche visualmente valori di 0,4/0,3 A costituisce il punto iniziale per poter effettuare interessanti osservazioni sul sole, quale l'effetto di rafforzamento di alcune righe e di duplicazione delle stesse in luce polarizzata per effetto dei campi magnetici delle regioni attive (cd, Zeeman effect).Per contro, una risoluzione elevata crea notevoli problemi per la calibrazione dello spettro e l'individuazione delle righe: quelle indicate nelle immagini sono state ricavate dall'atlante spettrale di Moore, dopo la calibrazione dello spettro con Vspec.Non nascondo, comunque che cercherò, se possibile, di ottenere ulteriori aumenti della risoluzione spettrale, sino a 0.02 A, anche se il compito si presenta difficile con uno strumento di bassa focale e con un modesto sistema di movimentazione del reticolo,C'è da dire, comunque, che risoluzioni simili sono in genere appannaggio di strumenti molto più grandi e pesanti In the following images are shown both the Mg triplet at new resolution (0,08 A/pix) and a comparison with the previous, lower (0,23 A/Pix),The higher resolution, that make visible visually 0,3/0,5 A is the initial point to do interesting spectral observations on the sun, such as the strenghtening and widening of some sensitive lines, and their splitting in consequence of strong magnetic fields of active regions (cd. Zeeman effect).The higher resolution makes, on the other side, much more difficult the exact calibration of spectrum and lines identification. Those of following images were obtained by the Moore's spectral catalogue.I intend, anyway, to try to reach higher resolution (about 0.02 A), but the job is not simple, for the short FL of the grating and the (too much) simple grating motion system.
Il doppietto del sodio, osservato ad una risoluzione di 0,08 A/Pixel, mostra molti particolari interessanti, quali l'ispessimento della riga a 5889,97 dovuto al contributo dell'H2O atmosferico e permette di apprezzare in circa 0,3 A il "core" della seconda riga a 5895,94 A.Evidente, tra le due righe,la linea del nickel e altre 7 circa, in buona parte dell'H20. The Sodium doublet, observed at a 0,088 A/pixel, shows interesting features, such as the strenghtening of the line at 5889,97 A due to the contribute of Atm H20, and permits to define in about 0,3 A the "core" of the second line at 5895,94 A.Evident, among the two , the nickel line and others (about 7) of Atm H2O.
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Cogos, modificato nella messa a fuoco (un obiettivo fotografico privo delle lenti) e nel sistema di movimentazione del reticolo (due ruote in plastica da modellismo), è stato anche usato come spettroscopio stellare, riuscendo con successo, per la prima volta in Italia , a separare le componenti di una binaria spettroscopica,Beta Aurigae , come riportato in dettaglio al link "stelle peculiari" di questo sito.
Cogos, modified in the focusing device (a photo objective without lens) and in the grating moving system (two plastic gears) had been used as stellar spectroscope too, succeeding in the separation of spectroscopic binary Beta Aurigae, as reported at the link "peculiary stars" of this site.
CLAUS (Cylinder Lens Amateur Universal Spectroscope)
Project
Il progetto CLAUS (Cylinder Lens Amateur Universal Spectroscope) si avvale, come dice l'acronimo dello strumento, di una lente cilindrica che agisce sia da collimatore che da fenditura, raccogliendo il fascio convergente proveniente dal telescopio attraverso un riduttore di focale ad f 3,3 Il suo disegno è quello che segue.Lo strumento, progettato per telescopi a fuoco posteriore (SC, Mak, Cass, etc) è abbastanza efficiente, anche se il peso (ca 2 Kg) e l'ingombro non sono trascurabili, ed è stato progettato per esclusivo uso stellare, anche se con opportuni adattamenti è usabile anche come spettroscopio solare.La mancanza della fenditura presenta l'innegabile vantaggio di poter mantenere nel campo inquadrato del CCD e riprendere lo spettro di una stella senza problemi anche con montature equatoriali di bassa fascia ; per contro ha lo svantaggio di non poter riprendere oggetti estesi e di dover comunque sistemare l'oggetto da riprendere al centro del campo per evitare che lo spettro osservato sia inquinato da quello di altre stelle.E' inoltre d'obbligo la sottrazione del fondo cielo.Ho sperimentato che una soluzione di compromesso è quella di porre in ingresso una fenditura piuttosto larga, anche 3-4 mm, come più avanti specificato.
CLAUS (Cylinder Lens Amateur Universal Spectroscope) project uses, as its acronyme says, a cylindrical lens to act both as collimator and slit with a converging optical light beam from a telescope, (a rear focus one as SC, Mak, Cassegrain and so on).The instrument is efficient, but quite heavy .The lack of the slit permits to maintain in the field of CCD a star without problems also using simple equatorial mounts, but has, anyway, the disvantage that it is'nt possible to image extended object spectra.
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Un miglioramento del sistema CLAUS può essere ottenuto con l’aggiunta, immediatamente dopo l’attacco al telescopio, di un elemento formato da un alloggiamento , dotato su entrambi i lati di un attacco femmina 42 x1 entro il quale introdurre, ove necessario,una slitta con una fenditura molto larga (ca .3/4 mm) (Fig. 8b ) Tale espediente, pur non influendo direttamente sull’immagine formata dallo spettroscopio in quanto tale fenditura non è posta sul piano focale del collimatore (nel nostro caso della lente cilindrica), ha tuttavia l’effetto di migliorare l’immagine spettrale in quanto : - a) agisce come un diaframma rettangolare - b) taglia buona parte del contributo luminoso del fondo cielo. A further improvement of the system can be obtained inserting, after the telescope attachment, an element formed by a rectangular box with a female 42 x 1 threaded hole in which slides a very large slit (3/4 mm). Such a device doesn't directly modify the quality of the spectrum because the slit doesn't take place on the collimator's focal plane (the cylinder lens) but produces, anyway, the effect of a certain improvement of the image for the following reasons: -acts as a rectangular diaphragm -cuts off a great part of the sky glow. |
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Nella Fig. 8c è mostrata la
differenza intercorrente tra un’immagine dello spettro di Betelgeuse
ripreso con il predetto accessorio, e senza.La ripresa è stata
effettuata senza volutamente focheggiare l’obiettivo della
camera, per dare maggior risalto alla la differenza. E’ stata
usata una fenditura simulata con due strisce di nastro adesivo nero
poste a ca. 3 mm l’una dall’altra, centrando la stella
nell’oculare, poi inserendo la slitta con la “fenditura” nel
portaslitta, controllando che l’immagine della stella restasse entro
la fenditura, e riprendendo per 20 sec. circa.Ovviamente tale
espediente taglia anche una buona parte della luce in arrivo dal
telescopio, per cui sembra indicato con oggetti luminosi ed
estesi, pianeti etc.
In fig. 8c is shown the
difference between the image of a Betelgeuse spectrum shot with such
a device and without.The camera was set out of focus
to enhance the difference.The
simulated slit was realized by two slices of black adhesive tape
put at a distance of 3 mm from each other.The star was first
centered in the eyepiece, and after the simulated slit was
inserted into the box.The integration time was about 20
secs.Obviously such setup cuts off a noticeable quantity of light,
and it ought to be used with planets or extended objects, where
it could be of some utility.
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Fig. 8c |
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Avvertivo intanto la necessità di disporre di uno strumento a lente cilindrica che fosse veramente universale e di peso e dimensioni contenute, in modo da poter essere applicato al fuoco di strumenti commerciali anche di bassa fascia.Questo progetto è poi sfociato nel TSA, inizialmente nato per fini divulgativi e di ricerca solare, ma poi divenuto anche strumento per la spettroscopia stellare.Questa che segue è la storia in dettaglio dello strumento, formalizzato in un brevetto per applicazione industriale. I had in the meanwhile the esigence to dispose of a cylinder lens spectroscope truly universal, with a lightweight and small dimensions,to be applied at the focus of any commercial telescope.This project was developped in the TSA project, whose history is hereunder.
Nell' approfondimento delle questioni connesse alla spettroscopia, mia grande passione di "astronomo amatore" , mi sono spesso dovuto confrontare con una realtà: gli appassionati come me in tale fondamentale branca dell'astronomia che la sperimentavano in pratica erano pochissimi, ed i potenziali interessati ,invece, molti di più.Gran parte di questi si lasciano scoraggiare, oltre che dalla obbiettiva complessità e vastità di questa branca dell'astronomia e della fisica, dalla difficoltà di costruirsi uno spettroscopio , anche semplice, con le proprie mani.Negli ultimi anni, tuttavia,si sono affacciati il mercato consumer alcuni tipi di spettroscopi, alcuni di realizzazione molto semplice, formati in genere da un reticolo a trasmissione , da applicare all'oculare di un telescopio ovvero all'attacco di una camera CCD.Tali oggetti privilegiano, come è ovvio, la osservazione e la ripresa di spettri stellari, dato che danno un'immagine al cui centro c'è l'ordine 0, ossia l'immagine reale dell'oggetto, ed a destra e sinistra gli spettri dei vari ordini.L'uso di tali strumenti sul sole è assolutamente da evitare, pena danni severi e irreversibili agli occhi.Accanto a tali tipi semplici di strumenti, sono stati immessi sul mercato altri molto più sofisticati, degli spettroscopi veri e propri, il cui uso dedicato è l'osservazione e la ripresa di spettri stellari, anche se alcuni di essi possono anche essere utilizzati sul sole a patto di utilizzare esclusivamente strumenti a lenti, in quanto la fortissima luce e calore in arrivo potrebbero distruggere letteralmente il secondario e portasecondario degli strumenti compositi , cd. "catadiottrici", quali Schmidt Cassegrain, Matsukov Cassegrain,etc, che sono poi quelli più diffusi tra gli appassionati.I predetti spettroscopi hanno, comunque, un costo piuttosto elevato, che spesso fa desistere qualsiasi astrofilo che non sia un addetto ai lavori ed abbia quindi una conoscenza più che approfondita della spettroscopia. A tutt'oggi, quindi. ai possessori delle predette categorie di telescopi appariva preclusa la possibilità di poter usare per l'osservazione solare uno spettroscopio dotato di una adeguata risoluzione spettrale e di caratteristiche tali da poter essere applicato, come un qualsiasi accessorio, alla culatta posteriore di un catadiottrico, qualsiasi sia il diametro e la lunghezza focale,e ciò ad un costo non eccessivo, alla portata di quasi tutte le tasche.Questa mancanza mi ha indotto, da tempo, ad esplorare la possibilità di colmare questa lacuna, ed oggi posso finalmente dire di essere riuscito nell'intento. Ho soprannominato il nuovo strumento TSA, acronimo di Telescope Spectroscope Adapter, , in quanto esso è capace di trasformare un telescopio a fuoco posteriore sia esso Catadiottrico (Schmidt Cassegrain o Matsukov Cassegrain) o Rifrattore,non importa di quale diametro o focale in uno spettroscopio solare a media risoluzione, con una gamma notevole di potenziali capacità accessorie.La facilità d'uso ne garantisce l'utilizzazione anche da parte di chi non si è mai occupato si spettroscopia, ma vuole, ad esempio, usare il proprio telescopio per finalità didattiche nel settore, senza l'uso o l'acquisto di altri strumenti .Il TSA consta infatti di due parti: Una maschera da anteporre all'ottica principale del telescopio, e da un adattatore posteriore da 50,8 mm, poco più grande di un diagonale stellare di tale formato.Il TSA è stato testato su tali tipi di strumenti, ma non può essere usato sui Newton o su strumenti di simile configurazione, perlomeno nella sua struttura attuale.E' allo studio e sotto test il suo uso anche come spettroscopio stellare, perlomeno con stelle di una certa luminosità. Lo strumento costituisce quindi, per i numerosi possessori di SC delle varie marche , Mak, e rifrattori,una vera novità ed un accessorio semplice da usare .Basta anteporre la maschera all'obiettivo del telescopio (operazione da non dimenticare) , puntare il sole col cercatore dotato di un filtro in astrosolar, ed esplorare lo spettro solare visibile, dal violetto al rosso profondo.La risoluzione dello strumento, dotato da un reticolo di elevata qualità di ben 1200 l/mm, è più che sufficiente per fini didattici ed uno studio anche serio dello spettro solare. Tale accessorio per telescopi è stato oggetto di una richiesta di brevetto nazionale (e CE per 18 mesi) avanzata all'Ufficio Brevetti di Roma, ed è, pertanto, "Patent Pending"Il materiale informativo ad esso relativo, nella presente pagina web ed altrove, non può pertanto essere in alcun modo riprodotto, nè tanto meno l'oggetto in questione puo' essere commercializzato o prodotto, integrandosi in tal caso tutte le fattispecie previste dalla attuale normativa nazionale e comunitaria in materia di protezione di marchi e brevetti, con le conseguenti sanzioni e obbligo di risarcimento a carico dei trasgressori. Ad un primo prototipo totalmente sviluppato con le mie capacità e risorse , è seguito il secondo, sempre da me autocostruito, ma progettato con un occhio alle eventuali possibilità di produzione in scala e di commercializzazione.Quest'ultimo punto mi ha fatto non poco pensare, dato che sono da sempre restio a coniugare la passione per l'astronomia, che ritengo disciplina di particolare valore etico , a questioni molto più venali, quali gli aspetti commerciali.Ma la potenzialità innovativa della realizzazione mi ha fatto convincere a tentare di diffondere questo nuovo accessorio, a mio avviso importante, nella platea degli astrofili .In passato, infatti , sono stato costretto a negare a molti amici che me ne avevano fatto richiesta la costruzione di uno spettroscopio, a causa del poco tempo libero e delle difficoltà di costruzione, anche in piccola serie, di tali strumenti, ora la semplicità di questa realizzazione mi spinge a tentare, ed ad aprire un discorso che ritenevo chiuso, esplorando la possibilità di concessione in uso dell'eventuale brevetto, ovviamente a condizioni ben precise, primo tra tutti il prezzo, che è mio intendimento mantenere il più basso possibile. Il TSA consta, come si è detto, di due parti: una prima, lo strumento principale, poco più grande di un diagonale da 50 mm con il relativo oculare, e del peso di 750 g circa, che va applicato ad un portaoculari da 50 mm alla parte posteriore del telescopio,ed una seconda, composta da una maschera da applicare alla parte frontale del telescopio.Le due parti sono assolutamente complementari e non possono essere separate.Prima di montare la parte principale dello strumento alla culatta,e puntarlo verso il sole occorre quindi nel modo più assoluto montare preventivamente la maschera, che impedisce alla luce ed al calore del sole di raggiungere l'interno del telescopio e causare danni allo stesso, oltre che alla vista dell'utilizzatore.Il TSA, inoltre non può , nella sua attuale configurazione, essere utilizzato da solo, ad esempio puntandolo verso il sole; sto, tuttavia, studiando anche tale possibilità per il futuro, unitamente a quella di rendere possibile il suo utilizzo anche in campo di spettroscopia stellare, perlomeno sulle stelle più luminose.
Till now, the owners of catadioptrics telescopes, say Schmidt Cassegrain, Matkusov Cassegrain, and so on, coudn't use their instruments coupled to solar spectroscopes for two main reasons: the strong heat entering the instrument may cause serious trouble and damage to the secondary holder and the secondary mirror itself, even in case of using an off-axis mask to reduce the diameter; furthermore, the use of an off axis mask with a very little hole would have as consequence, the necessity of a tunable, and very expensive, mechanical slit to make the light entering the instrument being properly diffracted from the grating.I tried then to realize a simple and low cost instrument capable to transform every catadioptric, refractor, and, in one word, back-focus telescope in a medium resolution solar spectroscope.The device, I named TSA (Telescope Spectroscope Adapter), has very low dimensions (little bigger than a 2" stellar prism) and weight (about 800 grams) and is composed of two parts: a mask to be applied to the front side of the telescope (where is the corrector lens or the lens) and a device similar, as said, to a 2" star diagonal in the back.In the photos hereunder is shown the TSA body, and the same applied to a Celestron 11 Schmidt Cassegrain Telescope.Such device is patent pending in Italy and EEC at the Italian Patents Office, so every reproduction of images in this web page, and any attempt of reproduction of instrument itself is prohibited.
Qui di seguito riporto due foto della parte principale dello strumento, visto da due diverse angolazioni:
Nella foto successiva si osserva la maschera da applicare al telescopio, nel prototipo in PVC.
e, infine, il TSA al fuoco diretto di un Celestron 11, in condizioni operative: notare le dimensioni piuttosto contenute dell'accessorio.
Nelle due immagini seguenti è sintetizzato, con un collage a bassa risoluzione, le immagini dello spettro solare ottenibili col TSA applicato ad un telescopio Schmidt Cassegrain: nelle diciture in basso sono riportati gli elementi corrispondenti alle righe. In the following images is shown a mosiac of solar spectrum obtained by such a device, with the lines of main elements easily visible.
Nell'immagine che segue è mostrata una immagine del tripletto del magnesio alla risoluzione nativa 640x 480 di una normale Webcam a colori Philips Toucam II.L'immagine è la somma di 500 frames di un filmato, effettuata con Registax 4, aggiustamento dei livelli con PsP. La risoluzione raggiunta con la predetta webcam è di 0,29 A per pixel, di tutto rispetto per il tipo di strumento. In the image hereunder is shown the Magnesium triplet shot at the resolution 640 x 480 of a color webcam Philips Toucam II.The image is the sum of 500 frames with Registax 4, levels adjust by Psp.The resolution is 0,29 A/pixel, enough for many interesting applications.
Grazie a tale accessorio,ed in modo assolutamente semplice, il C11 è stato quindi trasformato in uno spettroscopio solare di media potenza, così come potrebbe esserlo qualsiasi strumento a fuoco posteriore che presenti un sufficiente backfocus. Lo strumento è stato testato sui seguenti telescopi: The instrument was tested on the following telescopes: Schmidt - Cassegrain : Celestron 11 Celestron 8 Celestron 6 Matsukov Cassegrain: Skywatcher 90/1200 Rifrattori: Orion 80 ED Su tali categorie di telescopi esso pertanto funziona in modo ottimale, a prescindere dal diametro. Il prototipo in questione è stato realizzato, come dianzi precisato, in modo di facilitare al massimo una eventuale commercializzazione, ciò non toglie che mi riservo di apportarvi tutte le modifiche necessarie per migliorarne ulteriormente il funzionamento. La commercializzazione,che potrebbe essere prevedibilmente effettuata mediante cessione in uso del brevetto ad una ditta del settore, è, tuttavia, legata all'interesse che lo strumento potrà suscitare nella platea degli astrofili: va da se che un mercato potenziale molto ridotto non indurrebbe ad attuare tale ipotesi, sono fiducioso, comunque, che l'iniziativa possa avere un seguito, contribuendo in modo sostanziale alla diffusione della spettroscopia tra gli appassionati di astronomia. Una ulteriore possibilità di utilizzo del TSA è quella del controllo della ampiezza della banda passante e della centratura della riga dei filtri interferenziali a banda stretta.Tale controllo risulta quanto mai facile, avvitando il filtro interessato sull'attacco da 31,8 di una webcam o camera CCD,inserendo questa nel portaoculari del TSA ed effettuando una ripresa.Conoscendo due righe note (una già si conosce, ed è quella centrale, mentre la seconda si può identificare partendo dalla prima e conoscendo la risoluzione di massima dello strumento) si può effettuare la calibrazione dello spettro e la misura precisa dell'ampiezza della banda passante e, cosa ancora più importante, della centratura della riga in banda.Un esempio è fornito qui di seguito, con il TSA al fuoco di un Celestron 6 150 mm F 1500, per la misurazione di un filtro interferenziale H beta da 10 nanometri nominali di una nota ditta americana . A further application for the device is the control of the bandwidth and of the central position of the line of interference filters.In the following example is shown the results obtained on a H beta interference filter of an american firm, with its almost exact center position in the bandwidth.
L'immagine fornita da una webcam a colori Philips Toucam II era la seguente, che già mostrava una centratura della riga Hb aderente alle caratteristiche indicate dal costruttore.
La calibrazione dello spettro, ottenuta con il nuovo software Astrospectrum di Ivaldo Cervini, (link : http://www.astropix.it/software/astrospectrum.html ) dava il risultato di una banda passante , misurata a livello del punto di flesso della base della curva a campana,di ampiezza da da 4802 a 4918 A, ossia di circa 116 A= 11,6 nm e quindi leggermente superiore a quanto dichiarato, (ciò senza tener conto della calibrazione per la sensibilità spettrale del sensore della camera).Il centraggio della riga era, tuttavia quasi perfetto, con il divario di un solo A (4802+58= 4860) rispetto all'effettiva posizione della riga a 4861 A .Il filtro,quindi, dal punto di vista della ampiezza di banda e del centraggio di linea poteva considerarsi più che buono.
Un ulteriore interessante esperimento è stato effettuato ponendo il filtro in questione anteriormente alla maschera col foro di entrata posta davanti alla lastra correttrice del telescopio e paragonando lo spettro ottenuto con tale sistema a quello precedente ,col filtro in posizione canonica dietro il fascio ottico collimato.La ricezione di un fascio ottico non collimato e la luce diffusa ha prodotto, oltre che un notevole allargamento della banda passante e immagini fantasma, anche uno spostamento verso il blu della riga Hb di circa 3,3 nm, assumendo che il centro di banda corrispondesse al centro della zona di massima intensità luminosa. A further interesting experiment was done putting the filter before the hole of the mask on the corrector lens of the telescope and comparing the spectrum obtained with the previous one, with the filter on the path of a collimated beam.The incoming not collimated light beam a the diffuse light caused a widening of bandwidth and ghost images, and a shift of about 3,3 nm of the Hb line toward the blue.
Nel novembre 2009 ho poi provato per la prima volta la capacità di acquisizione del TSA su gli spettri stellari, ponendolo, senza alcun altro aggiuntivo o modifica, al primo fuoco del Celestron 6 per la ripresa dello spettro di Capella, Alfa Aurigae, nell'azzurro- verde.Una volta acquisita la necessaria precisione nella messa a fuoco, lo spettro è risultato ben visibile ed ottimamente definito, come risulta dall'immagine che segue : Last november, 2009, i tested the TSA capability in taking stellar spectra,putting it at the prime focus of a Celestron 6 without any further optical device or adapter.I shot the spectrum of Capella, Alfa Aurigae, in the green: the spectrum was clear and well defined, as we can see from the following image:
Lo stesso strumento ,la sera dello scorso 24 novembre 2009,applicato al C 14 dell'osservatorio di Ponte di Nona e puntato su Capella (Alfa Aurigae) ha fornito i seguenti risultati nella parte rossa dello spettro della stella, risolvendo tra l'altro in modo ottimale le righe dell'O2 Atmosferico, che costituiscono normalmente un test piuttosto severo per la valutazione delle capacità risolutive degli spettroscopi. The same instrument, last november, 24, 2009, at the prime focus of C 14 at Ponte di Nona Observatory,aimed to Capella, (Alfa Aurigae) gave interesting results on the red part of the spectrum of the star,resolving also quite well the O2 ATM lines , that are normally a severe test for the spectroscope's resolving power.
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Un semplicissimo strumento per spettroscopia stellare
lo "Star Analyser"
A simple stellar spectroscope: The Star Analyser
Lo strumento in discorso, che somiglia ad un semplice filtro da 31,8 mm, si è dimostrato un efficiente sistema di ripresa di spettri stellari a bassa risoluzione, tanto da essere da me usato più spesso di tutti gli altri spettroscopi che posseggo.
This instrument, which looks like a simple 31,8 filter, is an efficient system of low resolution stellar spectra imaging.Its main features are at the link:
Le sue caratteristiche e potenzialità sono al link: Star Analyser.htm
Spettroscopi solari ad alta risoluzione
Hi Res solar spectroscopes
Nell'ambito di tale categoria di spettroscopi, che utilizzano ottiche da 400 a 800 mm di focale e lenti di barlow per ottenere una EFL maggiore, nonchè reticoli di elevato numero di righe per mm, ho realizzato i seguenti strumenti, esclusivamente per osservazioni solari,tutti "fatti in casa" (ottiche e reticoli esclusi) con un ricorso soltanto sporadico a lavori esterni.
In this category of instruments, with optics from 400 to 800 mm fl and barlow lens, and with high grooves per mm number gratings, i realized the following instruments, only for solar observations.All these are exclusively "home made" (optics and grating exclused) with only few external components .
HIRSS link: HIRSS.HTM
HIRSS 2 link: HIRSS2.HTM
Spettroelioscopi solari digitali ad alta risoluzione
I due spettroscopi precedenti possono funzionare anche come spettroelioscopi digitali, ovvero di spettroscopi che, grazie ad una apposita tecnica digitale, possono ottenere immagini del sole nelle varie lunghezze d'onda, i dettagli sono mostrati ai link sottoindicati:
The two previous spectroscopes can also act as digital spectrohelioscopes, say of spectroscopes which, with some digital techniques, can obtain solar images in quite every wavelenght.Details are at the following links:
HIRSS spettroelioscopio link: hirss spettroelioscopio.htm
HIRSS 2 spettroelioscopio link: hirss2_spettroelioscopio.htm
Altri due strumenti, VHIRSS e POSS sono stati invece concepiti esclusivamente come spettroelioscopi ad alta risoluzione e relativamente portatili, tenuto conto che le due caratteristiche non sono compatibili.L'ultimo della serie, POSS, è il massimo, perlomeno per me della portatilità, essendo ingombrante quanto un telescopio di modeste dimensioni.
Other two instruments, VHIRSS and POSS, were exclusively conceived to act as digital spectrohelioscopes ,quite portable and lightweight.
VHIRSS link VHIRSS.htm
POSS link POSS.htm
Spettroscopi a echelle
Echelle spectroscopes
Tra questi , cito uno strumento tuttora in fase di perfezionamento, sperimentato solo come spettroscopio solare, Star shel
Among such spectroscopes I recall here the following,whose design is still underway, and successfully experimented only on the sun:
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