Espectroscopio LowSpec 3D

He construido un espectrómetro de acuerdo con el proyecto de LOWSPEC basado en un diseño para impresora 3D (https://www.thingiverse.com/thing:2455390) utilizando la variante con rendija OVIO que ofrece la versatilidad de permitir elegir entre 12 tamaños distintos de rendija.

En la foto se muestran los elementos del conjunto impresos  en ABS. Las piezas del cuerpo principal tienen una resolución de 0.2 y relleno de 50% y las demás piezas una resolución  de 0.1 y relleno de 80%.

En el montaje me he encontrado con un problema con el sistema de enfoque que no deslizaba con suficiente suavidad. He realizado una modificación no supone una mejora al diseño, más bien una alternativa aprovechando un tornillo sinfín del que ya disponía para conseguir un ajuste fino en el enfoque y solventar lo que probablemente era algún error de tolerancia en la impresión 3D.

 

En el ajuste, el problema principal que he encontrado y que por lo que he visto le ha sucedido a otros aficionados, es en la posición del espejo de guiado. Dado que la posición del espejo no es ajustable, si el único criterio para fijarlo es colocarlo en su alojamiento sin ningún ajuste, las estrellas se verán deformadas en la cámara de guiado. El truco, como se comenta en algunos foros, es emplear un láser en la entrada del espectrógrafo y colocar un espejo en lugar de la cámara de guiado. El ajuste consiste en ajustar la posición del espejo de guiado de forma que el reflejo a causa del espejo colocado donde la cámara coincida en el mismo punto en el que incide el láser. Una vez conseguida la posición correcta se fija el espejo de guiado con pegamento.

 

Solucionado el problema de montaje y el de ajuste, el conjunto funciona perfectamente. Las pruebas la realicé con dos redes de difracción: de 300 líneas/mm y 1200 líneas/mm. Con 300 líneas/mm se obtiene un espectro completo de la zona visible, pero con pocos detalles, y con 1200 líneas/mm se mejora la resolución, pero se abarca sólo una parte del espectro y la selección de dicha zona es manual y de ajuste laborioso.

 

El proyecto que me planteé fue no renunciar a la resolución y buscar un sistema para poder ajustar la zona del espectro a capturar de forma automatizada. En mi caso, cada imagen con la red de difracción de 1200 líneas/mm me permitía obtener un espectro de unos 850Å de ancho con una dispersión de 0.67Å/pixel. La idea era diseñar un mecanismo gracias al cual fuese posible centrar automáticamente la posición en la zona del espectro adecuada. Con este planteamiento, el espectrómetro se convertiría en una útil herramienta para obtener un espectro completo con una baja dispersión y resolución media, gracias a la concatenación de espectros obtenidos a partir de imágenes centradas en las longitudes de onda adecuadas. Por otro lado, también sería una buena herramienta para realizar capturas centradas en longitudes de onda concretas, para medir y analizar la firma de determinadas emisiones sin necesidad de engorrosos reajustes manuales.

En la foto se muestra el resultado del ensamblado. Se ha usado un puntero láser verde en la entrada para el ajuste de los elementos ópticos.

Solución para automatizar el centrado del espectro en una longitud de onda específica

El diseño de LOWSPEC incorpora un micrómetro que permite girar la red de difracción y en consecuencia ajustar la longitud de onda que corresponde con el centro del espectro capturado.

 

Con el fin de automatizar esta operación,se requiere incorporar los siguientes elementos al diseño:

1) Final de carrera para poder posicionar el micrómetro. El final de carrera es un pequeño micro switch que identifica cuando el micrómetro ha avanzado hasta el límite en la zona azul. Avanzando el micrómetro hasta que el final de carrera se activa se obtiene la posición 0 que en mi caso está entorno a los 3000Å (extremo de captura en el azul).

2) Motor paso a paso que actúa sobre el micrómetro para avanzar y retroceder su posición de forma automatizada.

3) Electrónica que controla el motor paso a paso a través de una conexión USB. La electrónica además detecta que el final de carrera se ha alcanzado, y por lo tanto permite identificar la posición 0 correspondiente al límite de longitud de onda alcanzable en la zona azul.

El principal reto es la mecánica. La solución adoptada consiste es fijar con pegamento de dos componentes al extremo del micrómetro una podea del tipo síncrono. En el lado del motor la solución es más complicada, dado que el micrómetro al girar también hace un desplazamiento (adelante y atrás según el giro sea a derechas o izquierdas) y no es suficiente con colocar una polea síncrona ya que la cinta de unión entre ambas poleas se vería torsionada según se realiza el giro. La solución fue en lugar de utilizar una polea síncrona, emplear una barra síncrona de forma que la cinta se desplace por la barra según va girando el micrómetro.

Para la electrónica decidí utilizar la misma placa de control de StepperBee que empleé en el diseño del fotómetro automatizado. La placa permite controlar dos motores paso a paso y dispone de entradas digitales, una de las cuales se ha utilizado para conectar el final de carrera. 

El resultado del proyecto se muestra en la siguiente foto, acoplado a un buscador y a una lámpara de Neón para las pruebas antes de ser instalado en el telescopio:

Instalación en el telescopio

He instalado el espectrómetro en mi mini observatorio   conectado al tubo recuperado de un telescopio LX200 de 200mm. El telescopio opera con un reductor de focal de 6.3.

 

La cámara principal del espectrómetro es una IMG2Pro y la cámara de guiado una Lodestar SX. Con esta configuración y una red de 1200 líneas/mm, la dispersión es de 0.67Å/pixel. El conjunto lo complementa un pequeño refractor de 70mm montado en piggy back con una cámara ASI174 como ayuda para el apuntado del telescopio.

Software control motor

El objetivo del software es simple: permitir centrar el espectrómetro en una longitud de onda deseada. El desarrollo se ha realizado en C, aprovechado las librerías proporcionadas por el fabricante de la placa de control.

 

El primer paso para implementar el software es caracterizar la curva que relaciona los pasos de motor con la longitud de onda. Para ello, se gira el motor de forma que la red de difracción avance hacia la zona de captura de azul hasta que se active el final de carrera. A partir de esta posición se van realizando avances de pasos (por ejemplo, de 200 en 200) y realizando capturas con una lámpara de referencia. Para la zona azul he utilizado una lámpara DULUX y para la roja una lámpara de NEON. En cada captura es necesario anotar la longitud de onda en la que queda centrado el espectro. Este proceso nos permite obtener una tabla que relaciona pasos con longitud de onda, y mediante la herramienta matemática que se desee (yo he utilizado R) definir la función adecuada (en mi caso de segundo orden, aunque realmente es muy lineal y primer orden también podría servir).

 

La curva obtenida hay que utilizarla para definir una función en el código que, dado una longitud de onda, mueva el motor los pasos adecuados para llegar a la longitud de onda deseada. El código adicionalmente debe controlar cuándo se llega al límite del azul para nunca forzar el micrómetro y permitir realizar una puesta a 0 cuando se alcanza el final de carrera.

 

El resultado es que mediante un sencillo software controlo el centrado del espectro a capturar con un error inferior a 10A. Lógicamente después hay que hacer una calibración mediante la captura de un espectro de referencia, por ejemplo NEON, por lo que el error máximo de 10Å no plantea ningún problema y es perfecto de cara a realizar capturas la zona del espectro que se desee.

Software automatización captura

La captura del espectro se automatiza mediante un script bajo ACP Observatory Control Software. El script controla el apuntado del telescopio, el centrado exacto de la estrella en la rendija, la captura y almacenamiento de las imágenes de los espectros , y a través del software de control del motor, el centrado de la captura en la longitud de onda que se desee. Con el script se pueden realizar series de capturas centradas en distintas longitudes de onda de forma que al componer los espectros se obtenga un espectro completo de la zona visible.

Resultados

Como ejemplo se muestra a continuación el espectro de Vega entre 3700Å y 7700Å, como resultado a agrupar 5 espectros, en concreto:

 

  • Centrado en 4100Å(de 3700Åa 4500Å)

  • Centrado en 4900Å(de 4500Åa 5300Å)

  • Centrado en 5700Å(de 5300Åa 6100Å)

  • Centrado en 6500Å(de 6100Åa 6900Å)

  • Centrado en 7300Å(de 6900Åa 7700Å)

 

Los espectros obtenidos para cada sector son (sin corrección instrumental):

Las capturas son el resultado de la integración de 10 imágenes de 5s cada una.

 

Los espectros tienen una zona de solape y para la agrupación de los espectros he utilizado una utilísima función del software RSpec (https://www.rspec-astro.com) que permite combinar espectros eliminando automáticamente la zona de solape. El resultando de la combinación es el siguiente espectro (primero sin corrección instrumental y a continuación con corrección):

Vega suma de espectros parciales sin corrección instrumental

Vega suma de espectros parciales con corrección instrumental