HIRSS2 come spettroelioscopio digitale
HIRSS2 as digital spectrohelioscope
L'uso di uno spettroscopio come spettroelioscopio potrebbe sembrare qualcosa di non particolarmente complicato: in fin dei conti lo spettroelioscopio si compone di un ottica, il telescopio vero e proprio, che invia un'immagine del disco solare alla fenditura di ingresso di uno spettroscopio,composto, come sappiamo, da un'ottica di collimazione ed una di osservazione, fin qui, quindi, nulla di particolarmente difficile, eccetto una cosa: la reciproca messa a fuoco delle tre ottiche, che devono essere ognuna per proprio conto e nel contempo tutte e tre insieme a fuoco sul disco solare.Può sembrare una banalità ma non lo è, il sottoscritto ha impiegato diverso tempo ed un notevole numero di prove prima di capire il meccanismo alla base del corretto funzionamento dello strumento, al di là della teoria.E' bene precisare, preliminarmente, che sto parlando di uno spettroelioscopio digitale, e non di quello tipo Hale, che prevede l'uso di un sintetizzatore, in genere un prisma rotante, alla fenditura di uscita dello strumento:in questo tipo di realizzazione, la sintesi dell'immagine viene effettuata via software; esistono , al momento due tipi di software che consentono tale operazione, entrambi freeware; il celebre IRIS di C. Buil ed il semplice appositamente sviluppato per tale lavoro, Spec Helio di D.Defourneau.La procedura consiste nel fare una scansione del disco solare centrata sulla riga di interesse (Ha, He, Na, Hb, K...e così via) in teoria tutte le righe dello spettro solare visibili con uno spettroscopio ad alta risoluzione,con un sistema quanto mai semplice;si centra nell'immagine video di una webcam od altra videocamera la riga dello spettro da studiare, si porta, usando i movimenti micrometrici della montatura, l'immagine del disco solare prodotta dal telescopio tangente al bordo superiore della fenditura , si ferma il moto orario e si avvia contemporaneamente una ripresa video , lasciando che l'immagine solare scorra sulla fenditura posta a sua volta parallela all'asse di declinazione e quindi perpendicolare al moto di AR.Il video ottenuto sarà poi scomposto nelle immagini (fits o bmp) che lo compongono, quindi si sceglierà una colonna di un pixel centrata sulla riga oggetto di studio, ed il software porrà tutte le colonne una di seguito all'altra formando un'immagine corrispondente del disco solare nell'elemento della riga esaminata, di risoluzione orizzontale pari al numero delle immagini sommate.Nel caso, quindi , che la scansione sia effettuata con una webcam alla risoluzione 640 x 480,ed ipotizzando che il video dia luogo a 1800 frames, si otterrà un'immagine composita di 1800 x 480, che dovrà poi essere corretta nelle dimensioni per una rappresentazione realistica del disco solare, ed assemblata con un certo numero di altre (in genere da due a quattro) per ottenere la visualizzazione dell'intero disco.La qualità delle immagini prodotte con tale sistema è inferiore a quella ottenibile con uno spettroelioscopio classico, ma esso ha dalla sua la semplicità ed una notevolissima semplificazione e la riduzione al minimo delle realizzazioni meccaniche.In particolare, HIRSS2 è di tale semplicità da permettere l'assemblaggio in casa, senza ricorso ad una officina meccanica, ad un costo molto contenuto e costituisce uno strumento assolutamente interessante, con prospettive di uso e sviluppo tali da assicurare anche ricerche di una certa serietà.La sua lunghezza complessiva, come si è detto, si aggira sui 110 cm ed il suo peso sui 10 Kg circa, rendendo possibile il suo uso anche su montature non particolarmente "dotate" quali Vixen GP e cloni.Per le caratteristiche ed i dettagli costruttivi rinvio alla apposita pagina web.
The use of a spectroscope as spectrohelioscope could seem something not particularly difficult: at last the spectrohelioscope has an optic (the telescope) that sends a solar disk image to the entrance slit of a spectroscope made, as we know, with a collimator and a camera optics then, something not difficult , isn't it? This is true, except for one thing: the three optics must be focused to each other and must be focused onto the solar disk.It may seem a nonsense, but I spent a lot of time and a noticeable number of tests to understand in practice the the optical model of the instrument.It's useful to underline that i'm speaking of a digital spectrohelioscope, and not the one made by Hale, that has a syntetizer to build the solar image after the exit slit:in the first the image is syntetized via software, using some freeware actually existing on the market: The famous IRIS by C. Buil, and Spec Helio by D. Defourneau , dedicated to this work.The job is to make a scan of solar disk centered in the absorbtion line to be studied (Ha,He, Na, Hb, K...and so on): in theory all the lines of solar spectrum.The procedure is the following:you watch on the laptop or desktop screen a webcam image centered on the line to be studied, put, using the micro mount controls , the solar image tangent to the upper side of the slit,(set parallel to the Dec axis) then stop the A R motion starting in the same time a video shot, and let the solar image flowing on the slit.From the video will after be extracted the single frames (fits or bmp), and will be choosed a column of a single pixel in a frame corresponding to the center of the studied line: the software will then put all the colums of all frames in sequence in a single image which is the sun in the element of the line.In the case the scan is done using a webcam at the resolution of 640 x 480, and assuming the video has a lenght of 1800 frames, you'll obtain a 1800 x 480 resolution image, that must be corrected in its dimensions for a realistic sight of solar disk and assembled with some others (generally from two to four) for a whole disk image.The quality of images obtained with such a system is less then those of the classical spectrohelio, but the instrument is mechanically far simple than this.HIRSS2 can be easily assembled at home, at a very low cost and is a very interesting instrument, with enormous chances of development a study for serious amateur.Its total lenght is 110 cm and its weight about 10 Kg, so it can be used with Vixen GP class mounts.For details about its project see the web page.
Alcune lievi modifiche sono state recentemente effettuate allo strumento, per migliorare il suo funzionamento come spettroelioscopio: una di queste è stata l'abolizione della lente di barlow posta al fuoco del telescopio (il rifrattore 60/415) e che aveva originariamente la finalità di aumentare la focale ed il potere risolutivo dell'immagine solare proiettata sulla fenditura.Ciò per due motivi: il primo che l'aggiuntivo ottico portava il fuoco del telescopio in un punto troppo interno al collimatore, causando problemi nella messa a fuoco generale del sistema, il secondo che purtroppo il calore eccessivo sulla lente, posta in prossimità del fuoco, causava una probabile alterazione della sua figura ottica degradando l'immagine.L'altra modifica ha riguardato l'inserimento di una slitta portafiltri immediatamente dopo la fenditura, con un duplice effetto; di permettere l'inserimento di filtri (polarizzatori per la eventuale misura dell'effetto Zeeman, od altri) e di ottenere una migliore areazione del tubo con la fenditura smaltendo una parte del calore che si accumula inevitabilmente su di essa (Fig 1).A proposito di filtri, risulta a mio avviso utile, per aumentare il contrasto, l'inserimento,nell'adattatore 31.8 della camera ed in luogo di una fenditura in uscita, di un filtro a banda stretta centrato sulla riga in esame o sulle sue vicinanze.
Some light improvements were done to the instrument in order to optimize its use as spectrohelioscope: the first was to eliminate the barlow lens (originally put on the 60/415 refractor to increase the the resolution of the sun image projected onto the slit).This for two reasons:before of all, the optical device put the focal point too deep inside the collimator focus, making very difficult to reach the whole system focus, furthermore, the heat on the lens caused a degradation of image. The second improvement was the insertion of a filter holder immediately behind the slit, in order to permit the use of polarizing filters (of others) for Zeeman effect measurements, and in the same time to create an hole for a better aeration of the slit, and the decrease of the heat on it (Fig 1).Furthermore, it's useful to insert ,to increase contrast, an interference filter centered on the line to be observed ,inside 31.8 camera adapter .
Fig 1 - Recenti modifiche a HIRSS2
HIRSS2 recent improvements
La vista generale dello strumento con il case di copertura in legno è la seguente:
The overall sight of the instrument with its wood cover is the following:
Fig2 - Vista complessiva dello strumento
Overall sight of the instrument
La messa a punto di HIRSS2 come spettroelioscopio è consistita in prima fase nel conseguimento della perfetta messa a fuoco del bordo dello spettro (bordo solare) e delle righe all'interno di esso.La procedura seguita è stata la seguente: ho agito sulla messa a fuoco dell'ottica della camera (nel mio caso il rifrattore 100/500), sino ad ottenere uno spettro dal bordo netto, dopodichè ho ruotato la messa a fuoco del collimatore (80/400) sino ad ottenere delle righe quanto più fini possibile:successivamente ho focheggiato l'ottica del rifrattore 60/415 in modo da avere un'immagine a fuoco del disco solare sulla fenditura, quindi ho ripetuto l'operazione della prima fase.Infine il risultato dovrebbe apparire quello della fig.3 con una fenditura non eccessivamente chiusa ed una velocità di otturazione della webcam di circa 1/500 di sec.
The setting of HIRSS2 as spectrohelioscope was done in two phases: the first was to focus both the spectrum edge ( solar limb) and the lines inside it.The procedure was the following:I previously acted on the camera optics(100/500 refractor) focuser in order to get the sharpest spectrum edge, then I focused the collimator until the lines become sharp too.After this, I focused the 60/415 main telescope onto the slit until the sun image on it was sharp , then I repeated again the first phase operation.The result must be that shown in Fig.3 with a not excessively shut slit jaws and a webcam shutter speed of about 1/500 sec.
Fig3- Bordo spettrale e continuo saturato
Spectral edge and satured continuum
Fig 4- Fenditura tangente al bordo solare- Particolari visibili nella riga Ha ed una proturberanza.
Slit tangent to the solar limb -features and a prominence inside Ha line.
Fig 5- Vista della riga Ha e dello spettro con la fenditura chiusa al massimo.Notare le righe trasversali causate da imperfezioni o polvere sulla fenditura (cd. "trasversalium").La risoluzione è molto elevata
Sight of Ha line with a quite completely shut slit.Note the transverse lines due to imperfections or dust grains on the slit jaws (cd. "transversalium").The resolution is very high.
Una volta effettuate le predette operazioni preliminari, la focheggiatura fine va operata, se la larghezza della linea lo consente, sull'immagine solare all'interno della linea stessa (i minuti dettagli della cromosfera a malapena visibili all'interno della riga Ha delle Fig.3 e 4, ovvero sui bordi della stessa).Occorrerà infine regolare l'apertura della fenditura in modo che l'immagine della riga studiata sia abbastanza evidente, ma non saturata, e sia invece quasi saturato il continuo adiacente come nella fig.3.Se si chiude troppo la fenditura, la qualità dell'immagine spettrale migliora (Fig 5), ma appaiono le righe trasversali che pregiudicano poi notevolmente la qualità dell'immagine solare scansionata.
Once done the preliminary focus operations above described, the focus must be refined on the details inside the line (the details of cromosphere visible inside the Ha line in Fig.3 and 4).It will be necessary, at last, to regulate the slit opening to obtain a clear but not saturated line, in a contour of a saturated continuum.If one shut excessively the slit jaws, the spectral image will be better , as shown in Fig 5, but the quality of solar scan will be degraded by the the transverse lines due to imperfections or dust on the slit.
La procedura di scansione che vado a descrivere contempla l'ipotesi dell'uso di una webcam come camera di acquisizione (in particolare una Philips Toucam III modificata con un sensore BN Sony ICX 098BL ed in grado di acquisire in modalità Raw).Tutte le operazioni vanno effettuate ponendo la webcam nel portaoculari dell'ottica della camera ed osservando sul monitor del PC l'immagine spettrale.
1- Si punta il sole in modo che l'immagine solare prodotta dal telescopio cada al centro della fenditura regolabile, completamente chiusa.Si richiama l'attenzione sulla particolare accortezza che deve essere prestata nel puntamento del sole, effettuandolo con puntatori dotati di filtri solari sicuri davanti all'obiettivo .Una leggerezza può costare gravi danni alla vista.
2- Si effettuano le regolazioni principali della camera.Io uso le seguenti: Luminosità 70/100%; Saturazione 50%; gamma 0; gain 0 velocità di otturazione : da 1/100 a 1/1500 a seconda del grado di saturazione dell'immagine provocata dall'apertura delle fenditura, velocità di acquisizione :10 Fps.
3- Si regola l'apertura della fenditura in modo da ottenere un'immagine spettrale simile a quella della Fig 3.In pratica si tratta di trovare un compromesso tra un apertura non troppo stretta, per evitare il degrado dell'immagine del "trasversalium" ed una troppo larga, per non indurre un eccessiva perdita di dettaglio dell'immagine stessa.
4- Usando i comandi micrometrici della montatura,si fa si che il disco solare sia posto col suo margine inferiore sul bordo superiore della fenditura, fino a che l'immagine dello spettro sullo schermo del PC scompare e questo diviene nero.
5- Si ferma il moto in AR avviando contemporaneamente l'acquisizione di un filmato per la durata di 160- 180 sec circa, corrispondenti ad un totale di 1600-1800 frames.Durante la scansione l'immagine dello spettro apparirà e poi scomparirà dallo schermo.
6 - Si importa il filmato in IRIS od altro programma simile, estraendo il frames del filmato come Fits o Bmp .Si apre uno dei frames contenente la riga di interesse e si determina la colonna x da 1 pixel, corrispondente al numero del centro della riga, da sommare per tutti i frames del filmato, dopodichè si avvia il comando che effettua la somma .In Iris il comando è "scan2pic".Si ottiene così un'immagine simile a quella (corretta in dimensione) riportata in Fig 6.
The scan will be operated according to the following points, considering that A Philips Toucam III webcam with a BW Sony ICX 098 BL sensor is to be used and all images watched through a PC screen.
1- Aim the sun until the disk image is centered on the slit (shut).Be careful NOT to aim the sun without a safety filter on the telescope objective, otherwise severe damage to your eyes can result
2 - Set the camera parameters as follow: lightness 70-100/%;saturation 50%; gamma 0, gain 0 shutter speed : from 1/100 to 1/1500 according to the level of saturation due to the slit opening.Frame speed: 10 fps.
3 - Set the slit opening to obtain an image like that of Fig 3.You must find a compromise solution to avoid an excessively shut slit, with "trasversalium" and a too opened one, with a lost of details.
4 - Using the mount micrometric motions put the bottom edge of solar disk image tangent to the upper edge of the slit.The image on the screen will be black.
5 - Stop the AR motion of the mount starting in the same time a film for a duration of 3 mins about and a lenght of 1600 -1800 frames.During the scan the spectrum image will first appear and then disappear from the screen.
6 - Import the film in IRIS or other similar software, extracting the single frames as Fits or Bmp.Open one with the line of interest and set the column with x pixel number of the center of the line, then start the sum with the proper command, that in IRIS is "scan2pic".You'll get an image similar to that of fig. 6.
Fig 6 - Immagine di una scansione parziale in luce Ha
Sample of a Ha partial scan image
Con un mosaico di tre scansioni effettuate il 13 ottobre 2007 alle ore 9 TU ho ottenuto l'immagine che segue (Fig 7), che mostra tutti i particolari al momento visibili sul disco in luce Ha, come risulta dalla comparazione con l'immagine dello spettroeliografo dell'osservatorio di Meudon-Parigi dello stesso giorno (Fig 8).
With a mosaic of 3 scans shot on october, 13 2007 at 9 am UT I got the following image (fig 7), that shows quite all the features at the moment visible on the solar disk in Ha light, as result by the comparison with the same day image from the Paris - Meudon Obs. spectroheliograph (Fig 8).
Fig 7 -Vista Ha del disco solare. Mosaico di tre scansioni del giorno 13.10.2007, ciascuna somma di 11 immagini ottenute partendo dal pixel al centro della riga Ha verso quelli (5 +5) ai suoi due lati, verso il rosso e verso il blu.
Solar disk in Ha light . Mosaic of 3 scans on october 13 2007 each sum of 11 images obtained from the pixel at the center of Ha line to the others (5+5) on both its sides (to the red and to the blue)
Fig 8 - Comparazione dell'immagine ottenuta il 13 ottobre con quella dello spettroelioscopio dell'osservatorio di Parigi - Meudon i particolari cromosferici visibili sono praticamente gli stessi.
Comparison among my image and the one in Ha light shot on the same day by the Paris Meudon Obs. spectrohelioscope.Cromospheric features are quite the same.
Al link sottoindicato è mostrata la comparazione tra 11 immagini di una singola scansione partendo dalla colonna 0 corrispondente al pixel del centro della riga Ha (la linea sottende 17 pixel), tra quelle (sempre appartenenti alla riga) verso il rosso,contrassegnate con il segno + e quelle verso il blu contrassegnate col segno -Notare la maggiore evidenza dei particolari cromosferici nelle immagini della riga Ha verso il rosso, rispetto a quelle verso il blu, nelle quali si nota maggiormente la supergranulazione.
At the following link is shown a comparison between 11 images of a single scan, from the initial column 0, the very center of Ha line (the line is 17 pixels), among those (always into the line) going to the red part of spectrum, signed with + and those going to the blue (-).Note the visibility of cromospheric features in the images to the red , while those going to the blue show better the supergranulation.