COGOS
"COncave Grating Opticsless Spectroscope"
Tale strumento è stato costruito intorno ad un reticolo di diffrazione concavo toroidale a riflessione surplus proveniente da un monocromatore, presumibilmente di 900 l/mm (ma il dato non è certo) da 40 x 50 mm,ed è dotato di 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,e fornisce inoltre al fuoco una linea anzichè un punto .Esso è stato alloggiato in un box quadrato di alluminio 80 X 80 mm filettato 42 x 1 su due facce.La movimentazione del reticolo stesso ,prima assicurata da un sistema a molla,è stato poi modificato in un più funzionale sistema a micrometrico a braccetto, 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 circolo, detto "di Rowlands"(vedi figura sotto).Per tale motivo, al box è stato applicato una messa a fuoco a cremagliera di notevole escursione.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. 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 nell'ordine 1 con una webcam da 5,6 micron di elementi sensibili.Lo strumento può essere uno spettroscopio solare a media risoluzione di dimensioni modeste ed assolutamente portatile, am esso può anche essere usato come spettroscopio stellare.
Il reticolo concavo montato può essere considerato ulteriore variante del sistema autocollimante a specchi .Questo schema costituisce veramente l'ideale per l' autocostruzione di uno spettroscopio semplice, in quanto non necessita di ottiche aggiuntive, e, data la ridotta lunghezza focale del reticolo, ha un ingombro ed un peso veramente modesti, inoltre, i reticoli concavi di Rowlands sono di forma toroidale e quindi mettono a fuoco con una linea, rendendo di fatto non necessaria anche la fenditura, nel caso di suso stellare.Ma , di fronte a tali notevoli vantaggi, quali sono le controindicazioni?.I punti negativi sono che i reticoli cd. "tipo Rowland", che sono poi quelli relativamente meno costosi e più facili da reperire hanno righe dritte ed equidistanti , e mettono a fuoco su un cerchio, detto appunto "cerchio di Rowlands",di diametro pari al raggio di curvatura del reticolo .Essi soffrono di astigmatismo , danno un'immagine spettrale non piana, e, mettendo a fuoco le varie lunghezze d'onda diffratte su un cerchio, richiedono distinte operazioni di focheggiatura per le diverse zone spettrali.Esistono comunque anche reticoli concavi corretti per l'astigmatismo, che hanno righe non equidistanti e che danno un'immagine spettrale piana,a fuoco su un punto, ma il loro costo è ancora più elevato. Il vero punto negativo di tali reticoli è quindi il prezzo, veramente eccessivo per usi amatoriali.Qui di seguito è mostrato lo schema di un reticolo di Rowland.
COGOS for COncave GRating Opticsless Spectroscope,
In this instrument I used the following components:a concave, thoroidal reflection grating, coming from a monocromator, presumibly 900 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" (see figures above) 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.Occorre 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, che ha mostrato uno splitting di 0.12 A in un valore di 3600 Gauss.
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 field
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
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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 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: notbaqd for such a resolution level.
Nelle immagini che seguono sono riportati sia l'immagine del tripletto del magnesio alla nuova dispersione, sia il confronto di quest'ultima con quella precedente, a più bassa dispersione (0,23 A/pixel).La dispersione 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.
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.
COGOS come spettroscopio stellare
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,al primo fuoco di un Celestron 14 XLT riuscendo con successo, per la prima volta in Italia , a separare le righe Ha di una binaria spettroscopica,Beta Aurigae , come riportato in dettaglio al link "stelle peculiari" del mio sito PNO Astronomy.
