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cbuil

Barlow, chromatisme et spectro

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Si Olivier G à la chance de disposer d'un des deux prototypes UVEX Shelyak, j'ai de mon coté la chance de disposer du seconde prototype !

 

Le spectrographe UVEX donne son meilleur lorsque le faisceau du télescope est plus fermé que f/8. Que faire lorsqu'on souhaite utiliser un télescope plus ouvert, comme par exemple mon Newton de 250 mm ouvert à f/4,5 ?

La solution consiste à utiliser une lentille de Barlow, dont l'effet bien connu est d'augmenter la distance focale. Mais soucis, une barlow est un système dioptrique (en général), fait de lentilles, et donc source de chromatisme. Cette aberration est critique pour un spectrographe qui revendique un large domaine spectral d'observation. Sans trop de surprise, je montre ici qu'il y a effectivement problème, et l'ampleur. Mais cette situation ne concerne pas que le spectrographe UVEX... Notez aussi que les observateurs planétaires qui font des images dans l'UV de Vénus pas exemple, sont confrontés aussi à ce type de difficultés.

Voici les conditions de test :

_demo_focus1.jpg.a90c687e13d715849cdb3bd903645c89.jpg

 

 

J'utilise ici une vieille lentille de Barlow CLAVE de 25 mm (from the "golden age of optics in France"). J'ai pu la modéliser optiquement (Zemax) et bien analyser son comportement face à mon télescope. Voici le résultat sur UVEX(S) (le prototype Shelyak donc) lors d'une observation de Deneb dans le bleu, avec un réseau de 1200 t/mm (blazé à 400 nm), et ce en fonction du point de focalisation du télescope par rapport au spectrograophe :

 

_demo_focus2.jpg.f12a6b395a5b812bb1accaeadf503eac.jpg


Il est important de bien noter que le chromatisme du télescope (avec la Barlow) n'affecte pas la résolution spectrale : quelque soit le point de focalisation au foyer du télescope (une amplitude de 100 à 200 microns typique), la finesse des raies demeure la même. On notera au passage le très bon comportement de UVEX dans cette configuration en terme spectral (même PSF à cause du chromatisme interne nul du spectrographe).

Par contre, la trace du spectre s'élargie d'autant plus que l'on va dans l'UV. On peut compenser en focalisant le télescope, mais bien sur on dégrade alors la partie visible du spectre. Le résultat est édifiant sur l'aspect du continuum du profil spectral :

 

_demo_focus3.jpg.25c7222baa3192801d4aa9cb213562d7.jpg


La dépendance de la réponse radiométrique spectrale avec le chromatisme est dramatique. On ne s'étonne pas dans une telle situation de voir le grand écart entre le profil spectral dans le bleu suivant les observateurs. On retrouve la même situation avec les réfracteurs, avec les réducteurs de focale et même les Schmidt-Cassegrain à cause du sphéro-chromatisme. 

Donc difficile d'exploiter une lentille de Barlow dans l'UV (mais je m'attendais à pire), à moins de faire une courbe de réponse pour chaque point de focalisation, ce qui est fastidieux et potentiellement incertain :

 

_demo_focus4.jpg.6ad1c29114b94cec0c1c381663e23a09.jpg


Ce document montre que cela fonctionne, mais lorsque le bleu/UV est défocalisé, le rapport signal sur bruit dans ce bleu/UV est fortement dégradé, et cela n'est pas rattrapable. Souvent, le bruit constaté dans le bleu de bien des spectres qui circulent vient du télescope, ce qui est souvent négligé (l'exemple des télescope Schmidt-Cassegrain).

Voici un spectre de Véga dans cette même configuration (Newton f/4.5 + Barlow). A condition de ne pas être trop ambitieux en allant loin dans le bleu, cela fonctionne (et globalement le spectre est meilleur que celui donné par un Alpy ou un LISA sur le plan du chromatisme en raison des caractéristiques de UVEX, i.e. la résolution est conservée dans le bleu profond) :

 

_vega_20200910_953.png.5233f0ef66bf9e539457398560e7a0d5.png


En bon complément, une bonne configuration de UVEX est d'aller un peu plus loin que Alpy ou LISA (je met de coté Lhires III) en terme de résolution, vers disons 1500 < R < 3500, et donc de l'équipé par exemple avec un réseau de 600 t/mm. Voila ce que cela donne en demeurant dans la partie visible du spectre sur quelques objets, en utilisant le Newton f/4.5 + Barlow :

_vega_20200912_834_rectifie.png.8b7e46d9ebf8cb1386dcee3f44775c89.png

 

 

_deneb_20200912_827_rectifie.png.822274e705c373f28b142052220a5089.png


Ou encore, la nova Cassiopée 2020 :

 

_novacas2020_20200912_935.png.ccddd7737ac4e089401b62cadb9be774.png

Ces résultats sont corrects.

Ce travail montre que - sous-conditions - le spectrographe UVEX, lorsqu'il sera commercialement disponible, ou si vous le fabriquez vous même en impression 3D, peut être exploité avec un télescope Newton aussi ouvert que f/4,5.

Et si cela était encore nécessaire, je montre la criticité du chromatisme du télescope en spectrographie (et ailleurs).

Christian Buil

 

 

 

Edited by cbuil
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ah merci Christian pour cette étude ...

c'est bien rassurant pour l'exploitation de l'uvex finalement sur de nombreux types de télescope, et permet aussi de voir les problèmes rencontrés dès que la lumière doit traverser du verre ...

 

la barlow était bien la seule différence entre nos setup hormis le spectro :) je vais garder ce newton alors ...

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Le problème du chromatisme avec une Barlow est bien moins critique de "l'autre coté", dans le proche infrarouge, comme le démontre ce document toujours pris avec un Newton de 250 f/4.5 + Barlow Clavé 2X de 25 mm :

 

_demo_chroma_IR.thumb.jpg.4e7170da308e730d98da61caa4e2a451.jpg

 

Cette fois la trace est bien plus uniforme (il s'agit du spectre 2D de l'étoile alpha Cas). En bas, deux exemples de spectres IR fait de cette manière, celui de l'étoile gamma Cas et celui de la nova Cas 2020. Cela montre comment utiliser un spectrographe UVEX lorsqu'on dispose d'un télescope bien ouvert.

 

Du coté bleu, les éléments d'une Barlow absorbent la lumière (c'est bien moins le cas du coté IR). Voici par exemple la transmission mesurée (avec UVEX) de l'antique Barlow CLAVE 2X :

 

_TRANS_BARLOWCLAVE25MM.png.e49ee1f5c9fefc921db2efb099833262.png

 

Cela dit une Barlow moderne ne fait pas bien mieux :

 

_TRANS_BARLOWTELEVUE25_SIMPLE.png.3f7c6b8b323ba6cc4a0ee4ccc6a0d8bc.png

 

et une Barlow sphistiquée (inutilement ici), nettement pire :

 

_TRANS_BARLOW_POWERMATE_TELEVUE25.png.06dd74383ddcd120b819aa52ebf34da4.png

 

La coupure dans le bleu est à la fois liée à l'absorption interne des verres et au traitement antireflet.

 

Christian B

 

Edited by cbuil
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Bonjour Christian,

 

Très intéressante étude sur l'effet des lentilles de Barlow.

Tes dernières courbes sont édifiantes. On serait tenté de penser que la Powermate TeleVue est bien mieux corrigée car elle est théoriquement dédiée à l'imagerie, notamment planétaire et, finalement, en dessous de 400 nm, c'est mauvais. Si tu rajoutes à cela une lame de Schmidt, il ne faut pas s'étonner de la piètre qualité des couches bleues des images planétaires des SC.

Comment as-tu obtenu ces courbes ? Sur banc ou sur une étoile ?

 

Vincent

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Bonjour Vincent, la méthode utilisée pour obtenir ces courbes est assez simple.

 

De jour, j'ai posé UVEX sur une table en visant en gros vers le zénith par un journée de ciel d'azur (ah, la Cote d'Azur ;-). Un diaphragme est positionné sur le coulant 50 mm attaché au spectro pour le faire travailler à f/9 en gros. Donc il n'y a pas de télescope en face. La caméra est une ASI183MM.

 

L'avantage du ciel bleu est qu'il contient pas mal d'UV et c'est stable.

 

Ensuite je fais une série de spectres en mettant le composant testé devant l'entrée du spectro puis une séquence sans le composant. La transmission relative est obtenu en faisant le rapport des deux. Les raies telluriques partent très bien. Je moyenne une douzaine de spectres chaque fois pour obtenir un bon RSB. Au traitement-, il faut bien faire attention a avoir un bon zéro.

 

Au final, je pratique un lissage bien fidèle au profil obtenu pour bien présenté les choses. La transmission au pic est éventuellement corrigée lorsque le composant présente une puissance optique (pas le cas pour un filtre par exemple) - c'est la partie la moins précise de la procédure, sachant qu'en revanche l'allure spectrale du profil de transmission est très correctement obtenu.

 

Il existe des Barlow "apochromatique" (en fait, qui approche l'apochromatisme, ce terme est un peu utilisé à tord et à travers).

On trouve notamment le modèle APM 2.7X comacorrector Barlow qui me semble est un composant intéressent. J'ai fais une simulation optique en quelques minutes d'une combinaison optique fort approchante, dont voici le résultat :

 

OPTIMAL_BARLOW.png.cbea46f260d252aff59123b057948ad7.png

 

C'est quasi limité par la diffrcation de l'UV à l'IR (!). La transmission optique est par ailleurs fort correcte si on se limite à un traitement anti-reflet monochouche. Je ne sais pas si tu connais de ton coté des fabricants qui proposent ce genre de Barlow ou si tu as une expérience dans ta position ?

 

Ce type d'élément optique est essentiel pour utiliser efficacement certains spectrographes (LHIRES, UVEX, ...) sur des télescopes à la base bien ouverts (Newton). Je propose en ce moment à Shelyak d'analyser la possibilité de concevoir un tel composant (plutôt une Barlow 2X) si on ne trouve rien de satisfaisant déjà fait (la Barlow APM est bien, mais je préférai une 2X). C'est un accessoire utile et du reste le sujet traité dans cette section et le résultat de ces travaux devrait intéresser aussi les observateurs de planètes !

 

Christian

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