Spec3K
Proyecto de construcción de un espectrógrafo basado en el proyecto del LowSpec de Paul Gerlach. Puede accederse al proyecto LowSpec en el link de thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:2455390
Tras el fracaso del espectroscopio SpecSA100, y tras leer sobre los resultados obtenidos con el espectrógrafo LowSpec y publicados por internet, decidí realizar la construcción de un espectrógrafo de características similares al LowSpec, pero con el objetivo de automatizar las funciones de enfoque del mismo.
Durante la fase de diseño también he consultado el proyecto creado por Christian Buil, de espectrógrafo Sol'Ex / Star'Ex. Este proyecto al igual que todos los que presenta Christian Buil en su web (de obligada lectura), han aportado muchas ideas e informaciones sobre el diseño y construcción del espectroscopio.
Requisitos del proyecto
Para abordar este proyecto y tras leer todo lo posible sobre LowSpec, y otros proyectos similares (principalmente proyectos realizador por Christian Buil), decidí fijar unos requerimientos para abordar la construcción del mismo:
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Utilizar para la impresión de los componentes, la impresora que tengo disponible, aunque la precisión de la misma me ha obligado a repetir prácticamente la totalidad de las piezas, ya que algunas piezas no encajaban correctamente, como los soportes de los portaoculares y cámara.
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Uno de los puntos que tenía de abordar primero fue la necesidad de reducir el tiempo de impresión de la caja del espectroscopio, ya que en el proyecto original del LowSpec, la caja se imprime en una sola pieza, lo que sin duda aumenta la rigidez del conjunto, pero debido a que no quería realizar extender los tiempos de impresión de las piezas, más de 8 o 10 horas, decidí realizar mi propio diseño.
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Reutilizar algunos componentes ópticos que tenía disponibles, no siendo necesario realizar la compra de todas las lentes y espejos, ya que encarecería mucho el proyecto. Las lentes de colimación y de objetivo, han sido objetivos de buscadores que he podido reciclar. Naturalmente la calidad óptica de los mismos, no es comparable a los de las ópticas producidas por Thorlabs o Edmund Optics, pero los costes de compra se han reducido exclusivamente a la red de difracción (de la casa Thorlabs). El resto de componentes los tenía de compras realizadas en AliExpress.
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Para la rendija he reciclado el que tenía del proyecto SpecSA100, pudiendo aprovechar tanto el disco de 12 ranuras (serigrafiadas sobre cristal) de Ovio, como el soporte que del mismo.
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Uno de los criterios de diseño más importantes, ha sido automatizar gran parte de las funciones del espectroscopio, habiendo incorporado motores de enfoque, tanto para la cámara de captura como para la cámara guía. También se ha incorporado un mecanismo de giro de la red de difracción, de forma que puede seleccionarse el rango de longitudes de onda a capturar, desde el ordenador que captura las imágenes.
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Para completar la automatización del espectroscopio, se ha incluido un controlador de los motores en el propio espectroscopio, que también control el motor de enfoque del telescopio, y la iluminación interna de la rendija (iluminación desde atrás de la rendija) para facilitar el enfoque de la cámara guía.
Para el diseño se ha prestado atención a los puntos:
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Utilizar para la impresión de los componentes, la impresora que tengo disponible, aunque la precisión de la misma me ha obligado a repetir prácticamente la totalidad de las piezas, ya que algunas piezas no encajaban correctamente, como los soportes de los portaoculares y cámara.
Tanto el objetivo como el colimador, tienen una distancia focal de 125 mm correspondiendo a objetivos de buscadores con una apertura de 30 mm . La óptica correspondiente al colimador puede desplazarse para asegurar un enfoque correcto de la rendija.
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La óptica de 'relay' para la cámara guía proviene de 2 lentes acromáticas con una distancia focal de 80 mm . Estas ópticas fueron compradas en AliExpress.
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Los espejos (comprados en AliExpress), pueden ajustarse en todas direcciones, para ajustar la colimación del espectroscopio.
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Para la rendija, se aprovecha el disco con 12 rendijas de Ovio, utilizado inicialmente para el proyecto SpecSA100.
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Los portaoculares para las cámaras estarán motorizados para el funcionamiento a distancia.
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La red de difracción, está montada sobre un soporte giratorio, y puede bascular verticalmente, para alinear el espectro en la cámara.
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La red de difracción también está motorizada, pudiendo seleccionar a distancia el rango de longitudes de onda a observar.
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se deja para una versión posterior la automatización de la rendija. Para las observaciones se utilizará la rendija de 20 micrómetros, ya que es la que mejor se ajusta a la configuración óptica con el telescopio.
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Se incorporará en una caja en un lateral del espectroscopio, el controlador de los motores así como el controlador de enfoque del telescopio.
Se ha incorporado un 'led' para iluminar desde atrás la rendija para facilitar su localización y enfoque.
La red de difracción ya está montada en su soporte, el cual gira por su eje vertical, este eje está dividido en 2 secciones, ya que pasa por el centro de la superficie óptica de la red de difracción, de forma que tanto la parte inferior como la superior del eje están montados sobre rodamientos para facilitar el ajuste y suavidad de giro.
A los portaoculares se han añadido unas coronas (impresas en 3D), para su movimiento a través de los motores que se situaran en la parte superior del espectroscopio.
A la izquierda de la imagen, puede verse la caja que alberga el microcontrolador (Arduino Uno) y la etapa de potencia de los motores (4 en total).
La red de difracción va montada sobre una caja (impresa en 3D) que puede bascular verticalmente para alinear la proyección del espectro sobre la cámara.
El ajuste de la posición vertical, se realiza mediante el tornillo que sobresale en la parte superior, mientras que en la parte inferior, está situado un muelle para mantener una ligera tensión para evitar que se mueva.
El modelo de red es GR25-0605 de la casa Thorlabs.
El tornillo que sobresale de la parte superior, es el que permite el ajuste vertical, mientras que en la parte inferior está situado el muelle para mantener la tensión del conjunto.
El eje es de latón y va montado con rodamientos 605 (eje de 5 mm).
El disco va montado sobre un soporte circular, con muescas para el correcto posicionamiento mediante la bola de acero y el muelle, y todo ello, dentro de un soporte que se desliza dentro del espectroscopio y se sujeta por tornillos por la parte inferior.
Para el control se ha desarrollado el firmware instalado en el Arduino. Este firmware permite configurarlo definiendo la velocidad, micropasos y dirección de giro de los motores, de forma independiente para cada motor. La velocidad permite efectuar aceleración de los motores.
El firmware instalado en el Arduino, también permite definir movimiento para compensar el backlash del conjunto de motor, correa, enfocador. De esta forma se puede definir que el enfocador siempre finalice su movimiento en la misma dirección, eliminando las holguras típicas en el caso de efectuar pequeños movimientos.
El programa SpecFocus permite seleccionar el motor sobre el que trabajar y enviar los comandos para el movimiento, así como seleccionar la posición de la red de difracción.
Para su funcionamiento desde otros programas comerciales, se ha desarrollado el driver ASCOM que conecta con el programa SpecFocus, y este con el controlador. Se ha realizado el programa specFocus para facilitar el envío de comandos a los motores desde un único programa, de forma independiente a los comandos que puedan enviarse desde los drivers ASCOM.
En la imagen puede observarse la corona dentada que está en la parte superior del eje de giro del soporte de la red de difracción, y que es accionada por un motor paso a paso, mediante una correa de tipo GT2.
También puede observarse el motor de la cámara guía, con el tensor de la correa.
Tras más pruebas, el motor de pasos Nema17 que tenía disponible, no es suficiente y se substituye al tiempo que se monta todo el espectroscopio sobre una guía lineal (de las utilizadas en herramientas CNC), que facilita el movimiento, aunque solo sea de décimas de milímetro.
La ventaja de la guía lineal, es que sujeta muy bien el espectroscopio, principalmente en posiciones inclinadas, donde podría moverse de forma lateral.
Se han registrado imágenes del espectro rojo entre los 5985 y 6963 Å, con un tiempo de exposición de 60 segundos y binning 1x1. La exposición se ha determinado para obtener un buen registro del espectro, sin saturar las líneas.
El espectro obtenido es el siguiente:
la diferencia entre lo teórico y el valor medido con luz neón puede deberse a la calidad de los elementos ópticos utilizados, ya que tanto el colimador como la lente objetivo son objetivos de buscadores reciclados.
La resolución del instrumento está en R=3000 para la rendija de 20 micrómetros, que es la que mejor se adapta para la combinación óptica utilizada.
La resolución medida sobre la línea H-Alfa en el espectro solar, está en R=1500. Debido a la calidad óptica de los elementos utilizados (objetivos de buscadores), es más que satisfactorio el resultado obtenido, ya que se desdobla correctamente tanto el triplete del magnesio (5169-83 Å) como el doblete del sodio (5889-95 Å). La dispersión del sistema está en 0.85 Å/pixel.
En el espectro reproducido (combinación de 6 observaciones a diferentes longitudes de onda) se ha identificado las principales líneas observadas. Para apreciar correctamente la resolución del espectroscopio, también se incluye la parte del espectro correspondiente a la línea del triplete de magnesio Mg I (5169-83 Å).
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Ejemplo del cromatismo en una
lente comercial Las lentes acromática, aún siendo de calidad, presentan un grado de cromatismo tal y como se menciona en las descripciones técnicas de fabricantes de elementos ópticos, así una lente equivalente a la utilizada. En el gráfico de la izquierda se presenta la longitud focal de una lente acromática (comercial) de 25 mm de diámetro y 125 mm de distancia focal. La longitud focal varía muy bruscamente a las longitudes de onda más cortas (región violeta-azul del espectro), para ser más uniforme en la parte central del espectro visible, e incrementando hacia la parte roja del espectro de forma más suave. A partir de este gráfico puede establecerse que la principal dificultad está en mantener el foco en las longitudes de onda más cortas (violeta-azul). |
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Desplazamiento del plano focal
del objetivo del espectroscopio Tras la puesta en funcionamiento del espectroscopio, se ha realizado una evaluación de las correcciones en el foco que deben efectuarse cuando se seleccionan diferentes rangos de longitudes de onda. Para la prueba, se ha registrado el espectro de la luz solar (enfocando el telescopio al cielo durante el día), y registrando varios espectros a lo largo de todo el rango de longitudes de onda. Para asegurar el correcto enfoque en varios rangos, se ha efectuado un proceso de autoenfoque con el programa AutoSpec, seleccionando diferentes líneas claramente visibles en el espectro, y calculando el desplazamiento en mm del plano focal, tomando como origen del desplazamiento, la línea del calcio Ca I en los 4.227 Å. La relación entre pasos del motor y desplazamiento de la cámara es de 107:1. |
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Finalmente se ha realizado un gráfico con los datos
obtenidos, pudiendo comprobar la variación del plano focal del
objetivo según la longitud de onda observada. A partir del gráfico se aprecia que la variación de foco a longitudes de onda corta, es muy abrupto, siendo muy estable en el tramo central del espectro visible, incrementándose bastante en la parte roja. Con la gráfica se aprecia una mayor sensibilidad a la parte roja del espectro, que en el caso de lentes comerciales de calidad. |
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Para determinar el movimiento del motor de la red, se han
efectuado capturas de la posición de orden 0 del espectroscopio
(imagen de la rendija), moviendo la red de difracción para
determinar el número de píxeles que corresponde a un paso del motor. Los datos obtenidos son:
Correspondiendo a 178 píxeles de la imagen por paso del motor de la red. Este movimiento equivale a 151 Å, teniendo en cuenta que la dispersión del espectroscopio es de 0.85 Å/pixel. Resultado: 151 Å / paso del motor |
