Le spectrographe CCD "Barèges"

Contributions: A. & S. Rondi, C. Buil

Link to English version ->


Le spectrographe "Barèges" a vu le jour dans un coquet appartement de la célèbre station de ski pyrénéenne par une magnifique journée de l'hiver 2003.
Le but était de dessiner un spectro de moyenne résolution, facile à construire et à utiliser sur des instruments d'ouverture allant de f/d=5 à 12. Il doit être associé à une caméra CCD. Il est entièrement réalisé en aluminium, mais le contreplaqué, le bois bakélisé, le plexiglass peuvent aussi être utilisé.

On trouvera des réalisations plus ou moins similaires sur la rubrique "Spectros Connection"...

Nous nous proposons dans cette page de décrire la construction de ce spectro étape par étape puis de vous guider dans ses premières utilisations.
Pour chacune des étapes nous donnerons les plans des pièces à réaliser et leur description puis une vue du montage obtenu.

Vous pouvez manipuler ces dessins, les démonter et mesurer toutes les côtes que vous voulez si vous disposer du logiciel VariCAD (8.7MB) en version évaluation pour une période de 15 jours ou bien en téléchargeant le logiciel gratuit et illimité VariCAD Viewer (3MB).

 

Caractéristiques optiques

Voici ci-dessous le schéma optique du spectrographe Barèges.
La fente d'entrée est en haut à gauche, suivie du doublet (le collimateur) qui met en forme un faisceau parallèle vers le réseau à réflection. La lumière dispersée par le réseau est reprise par l'objectif de chambre (un objectif photo) qui forme le spectre sur le récepteur CCD.

 

Caractéristiques

  • Collimateur: Doublet achromatique f=125mm, D=30mm
  • Réseau 600tr/mm, blazé à 500nm
  • Objectif de chambre Nikon f=50mm, f/D=1.4
  • Dispersion: ~2.8A/pixel (pour caméra Audine - pixel @ 9um)

 

Montage mécanique

Cette vue éclatée donne les références des diverses pièces du spectro. Les vis non reférencées sont des vis à métaux tête fraisée M4 servant à l'assemblage général. Vue 3D couleur (147KB)

1. Socle et couvercle 2. La Fente 3. Interfaces d'Entrée
4. Le Collimateur 5. Le Support du Filtre d'Ordre 6. Le support du Réseau
7. L'Objectif de Chambre 8. Finitions 9. Réglages
10. Première Utilisation 11. Quelques Exemples 12. Conclusion
  13. Bareges Connection  

1. Socle et couvercle.

Découper dans de la tôle d'aluminium d'épaisseur 4mm deux formes identiques. Certains perçages sont analogues sur le couvercle et le socle, d'autres diffèrent.
Attention aux fraisages qu'il faut faire du bon côté de la plaque! On peut d'ailleurs les éviter si on souhaite utiliser des vis à métaux tête plate au lieu de vis tête fraisée.

A noter qu'il est possible d'utiliser de la tôle plus fine, ce qui ne fera guère perdre en rigidité et allègera le montage. Utiliser alors des vis à têtes plates.

Vous pouvez retrouver les plans 2D en image gif grand format (400x600)en cliquant sur
Socle2D
(Pièce P2)
ou en vous reportant aux plans Varicad donnés plus haut.

 

Couvercle2D

(Pièce P1)

2. La fente.

La plaque support S2 est découpée dans une planche d'aluminium ou de dural. Elle sert à supporter les diverses pièces constituant la fente d'entrée. Le rôle de celle-ci est essentiel, permettant d'isoler l'étoile dont on veut obtenir le spectre en réduisant au maximum le bruit dû au fond du ciel.
Les lèvres constituées par deux lames de taille crayon Ft7 sont fixées sur deux chariots mobiles Ft1 et Ft2 en aluminium.
Ces deux pièces sont guidées par deux tiges en fibre de verre de diamètre 5mm et de longueur 84mm. Ces deux tiges (Ft3 et Ft4) viennent se loger dans deux trous ménagés dans les plaques L3 et L4.
Les vis de réglage Ft5 et Ft6 sont en laiton. Deux ressorts poussants (non représentés) enfilés sur Ft4 s'appuient pour l'un sur L4 et Ft1, et pour l'autre sur L3 et Ft2.

La plaque S2 est percée en son centre d'un trou de 35mm de diamètre et sur ses chants de trous taraudés M4, profondeur12mm.

Les supports des lèvres sont découpés dans de l'alu de 8mm d'épaisseur et percés comme indiqué ci-contre.
Il convient de soigner particulièrement leur usinage si l'on veut obtenir un coulissement doux et sans jeu.
Noter les côtes des deux vis Ft5/6 filetées M4 sur la partie diamètre 4mm et sur 42mm de long. La partie diamètre 6mm peut être moletée (facultatif).

Les deux plaques latérales L3 et L4 sont percées de trous non débouchants de diamètre 5mm destinés à recevoir les extrémités des tiges Ft3 et Ft4.

Elles sont à découper dans de la tole alu d'épaisseur 3mm. Tous les autres trous sont débouchants.

Ils sont fraisés sur le côté externe...attention à ne pas se tromper de côté! On dispose alors de deux pièces analogues symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan.

Il ne reste plus qu'à assembler ces premiers éléments...

3. Interfaces d'entrée.

La plaque d'entrée dans l'axe est découpée dans de la planche d'alu de 8mm d'épaisseur. Noter les deux perçages de 6mm destinés à fixer la pièce T2 de raccord avec l'instrument. Perçage central au diamètre 35mm par exemple.

On retrouve comme sur toutes les plaques S... les trous taraudés M4 sur les chants.

Cette pièce est donnée à titre d'exemple seulement. Il reviendra à chacun de fabriquer sa propre pièce de raccordement ou d'adapter une pièce déja existante dans le commerce.
Nous avons fileté au diamètre 58.5mm au pas de 0.75 pour installer le spectro sur une Flat Field Camera du commerce.
La pièce ci-contre est destinée à monter le spectro en equerre sur un télescope type Newton dont le porte oculaire est au diamètre 53mm (Clavé).
Elle est fixée au socle du spectro par 3 vis non représentées. Ici aussi chacun s'adaptera à son propre instrument. Il n'est pas indispensable de prévoir ces deux montages possibles...
Voici le travail après la troisième étape...

4. Le collimateur.

Plaque de support du collimateur à découper comme les autres plaques S dans de la planche alu de 8mm d'épaisseur.

Noter le trou de 6mm de diamètre destiné à recevoir le petit système de commande du filtre d'ordre.

Le doublet achromatique utilisé comme collimateur du spectro a une longueur focale de 125mm et de 30mm de diamètre (réf Edmund Optics:A45-217). Il a pour but de donner de la fente d'entrée une image à l'infini. A sa sortie le faisceau de lumière est parallèle et se dirige vers le réseau.

On profite de l'occasion pour mettre en place la pièce F3 destinée à bloquer en bonne position (travail) le support du filtre d'ordre qui sera monté à l'étape suivante.

Ces deux pièces sont en PVC type tube d'évacuation des eaux 32x3.

Ces deux pièces en PVC également seront collées sur les plaques S2 et S3 comme indiqué sur l'éclaté. Elles permettent le coulissement du tube C1 portant le doublet collimateur. C'est ce tube qui permettra la mise au foyer de la fente lors des réglages.
Le montage du groupe collimateur est maintenant terminé.

5. Le support du filtre d'ordre.

Le filtre d'ordre doit être un filtre orangé ou rouge du type passe haut. Un filtre de type photo peut convenir. Son diamètre doit être au moins égal au diamètre du doublet collimateur soit 30mm dans notre cas. Il est porté par une petite pièce d'alu F1 dont la rotation peut être commandée par la tige en fibre de verre F4, collée en bout, diamètre 5mm longueur 76mm. Celle ci est introduite dans le tube laiton F2 diamètre extérieur 6mm, diamètre intérieur 5mm de 50mm de long.
Ce tube sera collé en bout sur la plaque S3 affleurant côté fente et dépassant côté filtre (Araldite).

Un ressort poussant ( non représenté) doit être placé autour du tube F2 et s'appuyer sur S3 et F5 pour rattraper les jeux. Le bouton F5 en laiton s'enfile sur F2 et est bloqué en place par le vis de serrage.

Voici la pièce F1 en alu...petit travail à la lime pour parfaire les ajustages.
Le filtre est en place ici en position travail. On le voit en position repos en rendu filaire. Il vient alors buter contre le couvercle non représenté.

6. Le support du réseau.

Le dispositif de support du réseau doit permettre le réglage fin de l'angle d'incidence des rayons parallèles issus du collimateur sur le réseau. De ce fait il permet aussi d'explorer le spectre en longueur d'onde.
C'est donc une pièce essentielle et tout jeu doit être évité tout en permettant un réglage doux. Le réseau sera laissé à l'écart de cette construction, prudemment! C'est une pièce très fragile et ce sera le dernier élément mis en place à la fin de la construction. Résister donc à l'envie de le manipuler et le laisser sagement dans son emballage d'origine.

La pièce R2 est en aluminium. Elle sera vissée ou collée sur le couvercle P1 dans l'axe du trou laissant passer l'axe R9. Un chambrage 19x6 permet d'insérer le roulement à bille.

La plaquette support du réseau ne pose pas de problème particulier. Bien remarquer que les trous d'insertion des deux tiges filetées R10 et R10' seront percés non sur un diamètre mais hors axe de 4.9mm environ. Ainsi le réseau tournera autour de son plan optique. Ces deux trous seront taraudés M4. Bloquer ces tiges par collage.

Le bras de commande en alu comporte une fente du côté percé à 6mm et peut se bloquer sur l'axe R9 par une vis R13.

L'axe R9 comporte un trou axial fileté M4 intérieur du côté où vient se placer le bras R3 et l'autre coté est fileté M6 sur 8mm pour venir se visser sur le support du réseau R1.

Notre travail prend forme!

7. L'objectif de chambre.

L'objectif de chambre est un objectif photographique pour appareil format 35mm. Nous avons choisi le Nikon 50mm f/d=1.4 mais tout objectif équivalent convient tout aussi bien.
Avec l'objectif on se procurera un bouchon arrière en plastique O1 dont on réduira la hauteur à 10mm environ et que l'on collera à l'Araldite sur la plaque S4. Si on peut prévoir un encastrement ce n'est que mieux.
Aucun commentaire pour cette pièce qui nous est familière maintenant.
Bien sûr ne pas monter l'objectif photo (en violet) à ce stade de la construction. Vous ne le mettrez en place que juste avant de monter le réseau.

8. Finitions.

Deux petites pièces faciles...prenant place sur le couvercle et permettant de lire le réglage en longueur d'onde. La plaque R4 pourra porter ultérieurement une graduation en angstroms.
La plaque de fermeture S5 est munie d'un trou de 15mm de diamètre dont le but est de faciliter le réglage du collimateur. Nous verrons plus loin comment opérer.
Ceci est un petit porte oculaire qui peut aussi recevoir une webcam et son bloc optique...

Support d'une lame semi-réfléchissante
25mmx38mmx3mm.
25%refl-75%trans(Edmund:A31-437)
ou 75%refl-25%trans(Edmund:A31-435) suivant que l'on utilise le spectro axialement ou coudé.

On peut aussi l'équiper d'un miroir aluminé face avant pour usage coudé exclusivement sans perte de lumière mais en ne bénéficiant plus de l'oculaire de visée.

Il est commode de prévoir un bouton externe pour régler l'orientation de la lame séparatrice semi-réfléchissante la liaison etant assurée par une tige filetée de diametre 4mm.

Bravo! A vous les spectres stellaires...enfin presque.

Il vous reste à démonter entièrement votre appareil, à retirer les pièces optiques, à protéger tous les filetages et à peindre l'intérieur en noir mat. Si vous avez construit l'ensemble en alu, il est indispensable de tout dégraisser soigneusement et de passer un bonne sous-couche d'accrochage pour Alu, Zinc, PVC...avant de passer les couches de noir mat!

L'extérieur peut être soigneusement ébarbé et légèrement poncé à la toile émerie. Si vous souhaitez la peindre je vous conseille une peinture martelée en bombe...toujours après la primaire d'accrochage comme pour l'intérieur.

9. Réglages.

La mise au foyer du collimateur de la fente d'entrée:
Pour celà on utilise un chercheur, des jumelles, une lunette monoculaire...réglés sur l'infini(1). Puis on vise à travers le trou ménagé dans la plaque S5 sans modifier la mise au point de cette lunette(2). On voit les deux lèvres de la fente du spectro...en général floues.
En agissant doucement (3) sur la translation du tube PVC nommé C1 et portant le doublet collimateur on rend cette image parfaitement nette (4).
Lorsque ceci est obtenu, immobiliser ce tube C1 avec un morceau de ruban adhésif autour de C1 et de C2 ou C3. Ne plus toucher à ce réglage par la suite.

Le réglage de l'objectif de chambre et la mise à son foyer du capteur CCD. Il faut déterminer la bonne position du trou de fixation de la caméra CCD et de la vis V1 sur la plaque P1.
Prendre des images de la fente avec le réseau en position ordre zéro. L'objectif de chambre aura pour celà une mise au point placé sur 10mètres. Lorsque la netteté est obtenue bien noter la position de la face avant de la caméra et tracer puis percer le trou pour la vis V1(1).
Après fixation définitive de la caméra sur la plaque V1 achever la focalisation à l'aide de la bague réservée à cet effet sur l'objectif de chambre. On veut rendre cette opération possible de l'extérieur en pratiquant un tour obturable (2) dans la plaque P1 comme montré ci-contre.
Il faut en général revenir sur ce réglage quand on passe en ordre 1 et il peut différer entre les régions rouge et bleu du spectre (3). Pour obtenir une netteté acceptable sur tout le champ il est parfois indispensable de tourner légèrement la caméra (4) autour de l'axe de la vis V1 de 1 ou 2 degrès pour compenser un résidu de chromatisme de l'objectif.
3 - spectre élargi d'un côté 4 - spectre après shift correcteur

Le réglage de l'orientation de la lame séparatrice. Celle-ci peut tourner autour de son axe au moyen d'un bouton moleté (1) et être bloqué en bonne position par un contr'écrou moleté(2).

1 - image CCD (levres+etoile)

La mise au foyer du télescope de la fente. Il s'agit d'obtenir la netteté simultanée en ordre zéro de la fente (déjà obtenu et à ne pas modifier) et de l'étoile (1).

Pour celà agir sur le cabestan (2) de mise au point de votre lunette ou de votre télescope qui permet de mettre la fente rigoureusement au foyer du télescope...

1 - image CCD (étoile au centre) La visée d'une étoile en ordre zéro. Amener une étoile sur la croisée des fils du réticule du chercheur puis acquérir une image et amener cette étoile bien au milieu du champ du CCD (1). Si nécessaire revenir sur les trois vis de centrage du chercheur (2) pour ramener l'étoile à la croisée des fils. Ne plus toucher à ce réglage par la suite.
2 - un spectre

La focalisation sur l'ordre1. Passer en ordre 1 et parfaire la focalisation à l'aide de l'objectif de chambre en utilisant le trou pratiqué dans la plaque P1 comme indiqué plus haut (1).

Tout est prêt pour acquérir votre premier spectre stellaire (2).


10. Première utilisation.

En travaux...

Le spectrographe en action!! (21 Octobre 2003)
 

 

11. Quelques exemples.

Ci-après, le spectre de l'étoile Alpha And. Addition de 10 poses de 8 secondes obtenues avec une lunette Takahashi FS-128 (5 pouces de diamètre). Caméra Audine KAF-0401E. Le spectre a été réalisé en deux parties, pour la zone visible et pour la zone infrarouge (pour cette dernière partie on a utilisé le filtre de blocage intégré dans le Barèges). Assemblage sous Iris et étalonnage sous VisualSpec.

Le spectre de l'étoile Be Gamma Cas, à la même échelle que le spectre de Alpha And (compositage de 15 clichés posés chacun 5 secondes). Lunette FS-128.

Le spectre en 2D de Gamma Cas coloré sous VisualSpec :

 

Quelques autres spectres réalisés à Juillan lors d'un vol de pré-qualification :-)

Omicron Aqr:

66 Cyg:


Zoom sur la raie H-alpha

 

12. Conclusion.

Comme on peut le voir ci-dessus, le spectrographe Barèges donne de très bons spectres.
C'est vers ce type d'équipement que les astronomes amateurs tentés par la spectrographie doivent s'orienter, qu'ils soient débutants ou observateurs confirmés. Ces caractéristiques en font une machine généraliste qui le rendent propre à aborder un grand nombre de sujets d'études.

 
 

13. Barèges Connection

Voici quelques liens vers des réalisations tout à fait équivalentes et de mêmes performances:

- La réalisation de François Cochard

- Le spectro de Rogiéro Marcon

- Le spectro de Steve Dearden

N'hesitez pas à nous contacter pour rajouter votre réalisation à la liste!