Da ich noch ein 50x50mm Gitter mit 600 Linien/mm und verschieden Spiegel in der Schublade hatte, reifte im Sommer 2006 der Plan, mal einen größeren Spektrographen zu bauen, der via Lichtwellenleiter (LWL) ans Teleskop angekoppelt wird. Es gibt in der Literatur viele verschiedene Konstruktionen, die alle ihre Vor- und Nachteile haben.
Meine Vorstellungen fokusierten sich schnell auf einen Aufbau nach Czerny-Turner, der eine ganze Reihe von Vorzügen aufweist. In der folgenden Abbildung ist der prinzipielle Aufbau zu erkennen.
Abb. 1: Strahlengang im Czerny-Turner
Licht vom Teleskop, bzw. vom Lichtleiter geht von links unten durch den Fokus, wird kurz darauf von einem kleinen Hilfsspiegel nach rechts in Richtung Kollimatorspiegel umgeleitet. Dieser reflektiert es als paralleles Lichtbündel in Richtung Gitter (Reflektionsgitter). Das Gitter ist drehbar gelagert, um verschiedene Bereiche aus dem Spektrum zu selektieren. Das von dort reflektierte und dispergierte Licht wird von einem weiteren sphärischen Spiegel als Spektrum auf dem Detektor (Strich) links oben abgebildet. Im Bild werden 3 Wellenlägen des Magnesiumtriplets benutzt, die zu eng beieinanderliegen, als daß sie hier aufgespalten dargestellt werden können. Mehr Details zum Spektrographen gibt es hier als Powerpoint.
Abb.2: Anfang Oktober befand sich noch alles im Testaufbau. Man erkennt im Vordergrund die Spiegel und beleuchtet das Gitter in seiner stabilen Halterung. Die Drehachse ist kugelgelagert.
Einige optische Probleme ergeben sich aus der "off-axis"-Nutzung der Spiegel. Wer sich dafür interessiert, findet dazu mehr auf dieser speziellen Seite.
Abb. 1a: Komplette Ansicht des Spektrographen von Anfang 2007.
Details zur Justage der optischen Elemente.
Abb.1b: Lichtwellenleiter bei der Arbeit. Hier ein kostengünstiges Toslink-Kabel aus dem HiFi-Bereich.
Die Verwendung von Lichtleitern ist nicht simpel, wenn zu starke Verluste vermieden werden sollen. Es gibt kritische Stellen, die den Erfindergeist herausfordern. Fangen wir beim Teleskop und der Einkoppelung des Sternenlichts in den Lichtleiter an. Da gilt es zunächst den gewünschten Stern in die winzige Einmündung des LWL hineinzubekommen. Wer mal versucht hat mit einem größeren Teleskop und einer CCD-Kamera Astrophotographie zu betreiben, kann sich vorstellen, daß einen das Problem schon ins Grübeln bringt, denn ein vergleichbarer CCD-Chip wäre winzig (ca. 10X10 Pixel)! Doch wo ein Wille, ...
Hier folgt meine Lösung des Problems:
Abb.5: Einkoppelung und Nachführung am Teleskop
Im Innern des Metallteils befindet sich ein um 45° gekippter Schirm mit einem 1mm großen Loch in der Mitte, hinter welchem der Lichtleiter auf Photonen lauert. Die Webcam beobachtet durch ein Objektiv den Projektionsschirm in der Umgebung des Lochs. ein dort abgebilderter Stern läßt sich dann mittels der Feinsteuerung des Teleskops in das vergleichsweise große Loch befördern. Ein erster Test fand am 27.11.2006 statt. Würde ich überhaupt ein Sternbildchen zu sehen bekommen? Doch, doch, es geht, davon war ich überzeugt. Hier die Ergebnisse:
Abb.:3 Maja, mit Mag 3.86 einer der hellsten Sterne der Plejaden. Aufnahme des Projektionsbildes mit Philips ToUcam Pro.
So, das ging schon mal gut. Mit Mag 3.86 ist der Stern noch blendend hell, so daß ich Sterne die ich mit dem neuen Gerät überhaupt spektroskopieren kann, auf jeden Fall auf der Einkoppelungsseite ohne Probleme manövrieren und guiden kann.
Doch wo ist das Loch und der Lichtleiter? Ist wohl ungünstig darzustellen. Jedenfalls war, nach dem der Stern verschwunden war, Licht am Ausgang des LWL zu sehen. Ich konnte sogar auf diese Weise eine Bedeckung des Sterns beobachten! Ein kleine (irdische) Wolke zog vor den Plejaden vorüber und machte das Licht aus.
Das Loch und den Stern gleichzeitig zu sehen, ließ mich auf den Gedanken kommen, den LWL vom Ausgang her mit einem Laser zu beleuchten, während die Kamera gleichzeitig den Stern in der Projektion in der Nähe des Eingangs sieht. Dazu brauchte es natürlich einen Stern, der selber hell wie ein Laser strahlt! Gesagt, getan:
Abb.4: Capella und der Laser, der rückwärts durch den LWL das Eingangsloch beleuchtet.
Es zeigte sich, daß der Stern für etliche Minuten ohne Nachführung im Bereich des LWL blieb, wenn er erst einmal eingekoppelt war. Da ich den Eingang des LWL möglichst nah an den Eingang bringen wollte, hab ich alles nochmal gebaut. Statt Papier hab ich jetzt einen 1mm dicken, weißen Plastikstreifen für den Schirm verwendet. Das ist nicht empfindlich gegen Feuchtigkeit und kann gesäubert werden. Der Projektionsschirm läßt sich neuerdings auch durch eine dimbare LED beleuchten.
Abb. 5: Das neue 1mm Loch
Ein Problem ist die ungenügende Oberfläche des LWL auf einer Seite (Abb.5a links). Da der Kern des LWL aus Kunststoff besteht, kann er nicht poliert werden. Längerfristig muß ein besserer LWL her.
Abb. 5a: Ein- und Ausgang des Toslink-LWL in hoher Vergrößerung.
Abb. 5b: Hier wurde der Toslink-LWL durch eine 50mue dünne Glasfaser ersetzt (schwarzer kleiner Fleck oberhalb der Bildmitte).
Im nächsten Schritt ist jetzt dafür zu sorgen, daß vom austretenden Licht möglichst viel, im richtigen Öffnungsverhältnis durch den Spalt des Spektrographen ... bis auf den CCD-Chip der Kamera gelangt.
Abb. 6: Eingang des Spektrographen
Die Spaltbreite ist mittlerweile feinfühlig verstellbar. Man dreht den kleinen silbrigen Ring auf oder zu. Das Ergebnis läßt sich über die Webcam beobachten, genau wie die Ausleuchtung des Spaltes. Hierzu wird das Licht, nach Austritt aus dem LWL, mittels einer Zwischenoptik (25mm Plössl-Okular) auf den 3 mm langen Spalt fokusiert. Der Öffnungswinkel des Lichtkegels wird dabei ebenfalls an das Öffnungsverhältnis der Spektrographenoptik angepasst.
Abb.7: Sicht der Webcam auf den ausgeleuchteten Spalt. Für die Aufnahme von Sternspektren wird diese Webcam wahrscheinlich durch eine empfindlicher CCD-Kamera ersetzt werden, denn für LWL gilt: Vertrauen ist gut ..., denn entscheident ist was hinten raus kommt.
Für ein komplettes Spektrum im Optischen sind 9 Aufnahmen bei verschiedenen Gitterstellungen aneinander zu setzen. Das ist manuell nicht einfach. Man muß dazu stets einen genügend großen Überlapp rechts und links im Bild lassen. Einfacher geht es mit einem Schrittmotor, der mittels eines Microcontrollers die Gitterstellung sehr genau einstellen kann. Weiter gibt es hier RS232- und I2C-Schnittstellen, die eine Verbindung zum Computer oder anderen Boards erlauben. Mit zusätzlicher Software lassen sich so automatisch komplette Spektren über den Wellenlängenbereich (ca.3500A-7600A) aufnehmen.
Abb.8: Schrittmotor mit 1:12 Vorschaltgetriebe dreht die Gewindestange.
.. und somit den Hebel und darüber das Gitter.
Daten: 8 Mikroschritte pro Schritt, 48 Vollschritte pro Umdrehung bei 12-facher Untersetzung durch das Vorsatzgetriebe und 1.25mm Vorschub pro Umdrehung der Gewindestange, ergeben 8x48x12x16 = 73728 Schritte. Die so erzeugte Linearbewegung des Schlittens von ca. 20mm, wird über den Hebel in eine Drehung des Gitters um die Achse gewandelt. Hierbei wird der Bereich von ca. 3500A bis 7600A in der 1.Ordnung überstrichen. Eine genaue Kalibration für Δλ / step steht noch aus.
Die Aufnahme eines Spektrums beginnt stets mit der 0.ten Ordnung (Bild des Spaltes, Motorposition 0), um eine reproduzierbare Kalibration zu ermöglichen. Die Nullposition ist auch mechanisch und elektrisch durch eine Schraube definiert. Im obigen Bild oberhalb der Zugfeder im Holzklotz verborgen. Der Controller erkennt es, wenn der Kontakt geschlossen wird und hält den Motor an.
Abb.9: Ausschnitte aus dem Neonspektrum vor und nach der Verbesserung im Aufbau.
Mit den obigen Linienformen der Abildung 9 konnte ich mich nicht anfreunden. Habe deshalb die Stellung der Spiegel optimiert. Mit dem Ergebnis bin ich zunächst einmal zufrieden. Für das untere Spektrum habe ich in einem ersten Test meine neu gebaute Spektrallampe benutzt. Mit ihr soll es möglich sein, Vergleichspektren von Neon, Argon, Krypton und Xenon aufzunehmen. Auch zur Erzeugung von Flatfields soll sie dienen.
Im Rahmen der Softwareentwicklung wurde erste Sonnenspektren gewonnen. Dabei wurde auch die spektrale Transmission des Toslink-Kabels untersucht. Es zeigten sich einige "Dellen" im spektralen Durchlaß.
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