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Spectroscope JEPP1


Introduction

In spring 2004 a spectrocope was developed by home work. This will enable us not only to produce "pretty pictures" but also will give us usable results from a scientific point of view. JEPP stands for Josefs Spektroskop (1, since successors may appear...)

An overview of some features of the spectroscope:

A hybrid construction based on the  MERIS spektroscope of Christian Buil and the SBIG spektroscope was implemented. An additional mirror was added to the design of MERIS. It was placed between the colimator and the grating, so that the CCD is opposite to the light source. This construction generates as little shadow as possible on the primary mirror when JEPP1 is used in the primary focus of Ganymed.

 

Einleitung

Im Frühjahr 2004 entstand in "Heimarbeit" ein Spektroskop, das uns ermöglichen soll, mit Ganymed nicht nur "schöne Bilder", sondern auch aus wissenschaftlicher Sicht nützliche Werte zu generieren. JEPP steht für Josefs Spektroskop (1, weil es ja noch Nachfolger geben könnte...)

Hier die Features des Spektroskops im Überblick:

Als Basis der Konstruktion wurde eine Art "Kreuzung" aus dem MERIS-Spektroskop von Christian Buil und dem  SBIG-Spektroskop gewählt. Das Design von MERIS wurde um einen zusätzlichen Spiegel zwischen Kolimator und Gitter erweitert, um zu erreichen, dass der Anschluss der CCD gegenüber vom Lichteinlass liegt. Der Grund hierfür: da JEPP1 im Primärfokus von Ganymed verwendet werden soll, wollten wir eine möglichst geringe Abschattung des Hauptlichtweges erzielen.

 

Principal light flow through JEPP1 / Prinzipieller Lichtfluss durch JEPP1

In addition to the main light path the part of the incoming light, which does not move through the slit, is directed to and focused on  the guiding chip of the ST10 by some mirrors and two achromates.

Zusätzlich zum eigentlichen Lichtweg wird der Teil des eintreffenden Lichtes, der nicht durch den Spalt gelangt, über diverse Spiegel sowie zwei Achromaten auf dem Guide-Chip der CCD-Kamera fokussiert.

 

Perspective view of the light path to the guiding chip /

Perspektivische Ansicht des Lichtweges zum Nachführ-Chip

 

 

The box is made of aluminium plates 5.6mm and 3mm thickness. In addition to the mentioned optical components a digital micrometer is used to turn the grating wheel by a specific amount. The wheel has three engaging positions: one for each grating and one for the image of zero order of the 1800 l/mm grating. This position is used for adjustment, focussing and orientation.

Since the focal length of the used photolenses is not identical for all colors, the imaging 50mm photolens must be adjustable. To do this without opening the box, a ball beared stee rod, which moves the photolens focus by a drive belt was mounted.

To avoid unmotivated internal and external reflections (external, when used in primary focus), the complete instrument was pasted up with slef adhesive velour.

Instead of the CCD an eye piece can be mounted at the output of JEPP to enable  visual observing.

 

Sämtliche Teile wurden unter Verwendung von 5,6mm bzw. 3mm Aluminium montiert. Außer den erwähnten optischen Bauteilen kam eine Digitalmikrometerschraube zum Einsatz, die dazu dient, das Gitterkarussell um definierte Winkel drehen zu können. Das Karussell selbst hat drei definierte Raststellungen: Je eines für die beiden Gitter sowie ein drittes, das das Beugungsbild 0ter Ordnung des 1800er Gitters auf die CCD-Kamera wirft. Diese Stellung dient zur Justage, Ausrichtung und Fokussierung.

Da die verwendeten Objektive nicht über den gesamten Farbbereich eine identische Fokuslage besitzen, ist es nötig, für verschiedene Wellenlängen das abbildende 50mm-Objektiv neu zu fokussieren. Um hierfür das Gerät nicht öffnen zu müssen, wurde eine kugelgelagerte Stange, die über einen Zahnriemen auf das Objektiv greift, nach außen geführt.

Um ungewollte Reflexionen im inneren und auch außerhalb (bei Benutzung im Primärfokus) zu vermeiden, wurde das Gerät innen und außen komplett mit selbstklebendem schwarzen Velours beklebt.

An Stelle der CCD-Kamera kann am Ausgang von JEPP ein Okular befestigt werden, um auch visuelle Beobachtungen zu ermöglichen.

 

The following pictures show JEPP1 in a partly mounted and in a complete view. Please click on the images to get a higher resolution.

Die folgenden Abbildungen zeigen JEPP1in teilweise montiertem und fertigem Zustand. Klick auf die Bilder öffnet sie in einer höheren Auflösung.

 

 

  View of the opened instrument without guiding optics (except the diagonal mirrors in front of the slit).

Ansicht des geöffneten Gerätes ohne Nachführoptik (bis auf die Diagonalspiegel vor dem Spalt).

 

 

  Like above but from a different view point.

Wie oben, aber anderer Betrachterstandort.

 

 

  Detailed view of the adjustable slit with the divided diagonal mirror for the guiding. Between the two outer brass blocks, which are connected by two steel rods, four movable sleds are located. The inner two hold the knifes for the slit (carpet cutter), the other two hold two diagonal mirrors fixed by two 45° sheets. The threaded control rods are used to adjust the four slides. The thinner steel rods, which start at the four slides and feed through the outer brass blocks serve as guiders for the slides to prevent them from canting. The threaded control rods are led out of the housing and can be operated from outside without opening the housing.

Detailansicht des verstellbaren Spalts mit geteilten Diagonalspiegeln für die Nachführung. Zwischen den beiden äußeren Messingblöcken, die durch zwei Rundstähle verbunden sind, befinden sich vier bewegliche Schlitten. An den beiden inneren sind die Messerschneiden (Teppichmesser) für den eigentlichen Spalt befestigt, die beiden anderen halten über ein 45°-Stück zwei Spiegel. Die Gewindestangen dienen zum Verstellen der vier Schlitten. Die dünneren Rundstähle, die jeweils an einem der vier Schlitten befestigt sind und die durch die äußeren Blöcke führen, verhindern ein Verkanten der Blöcke beim Verschieben. Die Gewindestangen sind aus dem Gehäuse heraus geführt und können von außen betätigt werden, ohne das Gehäuse zu öffnen.

 

 

  Detailed view of the grating wheel. The cylinder shaped entity below the rectangle which holds the gratings is a friction clutch with three engaging positions for the different fixed positions of the carousel. The lever in front is moved by a  micrometer screw (forced back by the visible spring) when the housing is closed. The upright pin is used to activate the  friction clutch to select one of the three base positions when the housing is closed.

Detailansicht des Gitterkarussells. Das zylinderförmige Gebilde unter dem die Gitter tragenden Rechteck ist eine Rutschkupplung mit drei einrastenden Punkten für die verschiedenen fixen Stellungen des Karussells. Der nach vorne herausragende Hebel wird im zusammengebauten Zustand von der Mikrometerschraube bewegt (Rückstellung mit der sichtbaren Feder), der nach oben herausragende Stift dient zur Betätigung der Rutschkupplung, um die drei verschiedenen Grundstellungen bei geschlossenem Gehäuse auszuwählen.

 

 

  Complete view of the opened instrument. The bench with the two achromats in the guiding light path was not installed, when this photo was done.

Gesamtansicht des geöffneten Gerätes. Die Bank mit den beiden Achromaten im Leit-Licht-Weg war nicht installiert, als dieses Photo gemacht wurde.

 

 

 

First Spec of JEPP1. This image was done with a Meade Pictor 416E instead of the ST10. You can see the spectrum of the (neon-) control lamp of a dishwasher without any optics in front of the spectroscope. Only the slit was closed nearly complete. The spectroscope was placed on a table about 6 feet away from the lamp. The 600 l/mm grating was used. Exposure time was 10 seconds.

The slit was not completely clean when we did this photo. That explains in the dark breaks in the different lines.

 

First Spec von JEPP1. Diese Aufnahme entstand mit Hilfe einer Meade Pictor 416E anstelle der ST10. Fotografiert wurde das Spektrum der (Neon-) Kontrollleuchte eines Geschirrspülers ohne eine abbildende Optik vor dem Spektroskop. Lediglich  der Spalt wurde nahezu ganz geschlossen. Das Spektroskop lag hierbei auf dem Küchentisch in etwa zwei Meter Entfernung zur Kontrollleuchte.Es wurde das 600 l/mm-Gitter verwendet, die Belichtungszeit betrug 10 Sekunden.

Der Spalt war zum Zeitpunkt dieser Aufnahme nicht ganz sauber, was die dunklen Unterbrechungen in den einzelnen Linien erklärt.

 

  Commented wave length of the spectrum above.

Kommentierte Wellenlängen zum Spektrum oben.

 

  The completely mounted spectroscope with an eye piece for visual observation

 

Das komplett montierte Spektroskop mit einem Okular zur visuellen Beobachtung.

 

  Test mounting at a 10" Meade LX200.

Testmontage an einem 10" Meade LX200.

 

Some Words about where to get the materials and how the spectroscope was built

Except the two gratings, which were bought from Edmund Optics all materials used were bought from a local DIY store, found at the basement or bought at eBay. A local company made available the aluminium plates for very low costs.

The prices in detail:

135mm telelens f/2.8:   8€ from eBay
50mm lens f/1.2:   40€ from eBay
Micrometer:   13€ from eBay
Lorgnette for the achromates:   7€ from eBay
Surface mirrors:   for free from an old copier
Aluminium:   15€ from a local company
Screws and  und smal parts:   about 30€
Grating 30x30, 600 l/mm (Edmund):   150€
Grating 30x30, 1800 l/mm (Edmund):   200€

All prices include packing and shipping. The complete price is about 380$ (not included the many hours of work...)

For the manufacuring a small lathe (Proxon) as well as a buzz saw (yes, even 5.6mm aluminium can be sawn by a buzz saw - but beware ;-)), a small desk top milling cutter (on top of the lathe) and a belt grinding engine (very usable for the edges of the mirrors) were used.

Einige Worte zur Materialbeschaffung und zur Fertigung

Bis auf die beiden Gitter, die bei Edmund Optics bestellt wurden, stammen alle verwendeten Materialien aus dem Baumarkt, der Grabbelkiste und von eBay. Ein hiesiges Unternehmen stellte die verwendeten Aluminiumplatten zu einem günstigen Preis zur Verfügung.

Die Preise im einzelnen:

135mm-Objektiv f2,8:   8€ bei eBay
50mm-Objektiv f1,2:   40€ bei eBay
Mikrometer:   13€ bei eBay
Opernglas für Achromaten:   7€ bei eBay
Oberflächenspiegel:   gratis aus einem alten Kopierer
Alu:   15€ bei einer hiesigen Werkstatt
Schrauben und Kleinteile:   ca. 30€
Gitter 30x30, 600 l/mm (Edmund):   150€
Gitter 30x30, 1800 l/mm (Edmund):   200€

Alle Preise sind incl. Verpackung und Versand. Der Gesamtpreis beträgt also 463€ (nicht gerechnet die diversen Stunden Arbeit...).

Für die Fertigung standen eine kleine Drehbank (Proxon) sowie eine Kreissäge (ja, auch 5,6mm Aluminium kann man mit einer Kreissäge sägen - aber Vorsicht! ;-) ), eine kleine Tischfräse (Aufsatz auf die Drehbank) und ein Bandschleifgerät (nützlich zur Bearbietung der Kanten der Spiegel) zur Verfügung.

 

Future Directions

Until now JEPP1 was only used for tests. In the next month we will test the functionality and the resolution, before we will bring it to Namibia. Wether we can measure the expansion speed of galaxies or the rotational velocities of stars together wit Ganymed (and, if so, up to which magnitude) the future will show.

Weiteres Vorgehen

Noch ist JEPP1 bis auf Tests nicht eingesetzt worden. Die nächsten Monate werden wir dazu nutzen, um Funktion und Auflösung ausgiebig zu testen, bevor es in Namibia eingesetzt wird. Ob zusammen mit Ganymed das Messen von Fluchtgeschwindigkeiten von Galaxien oder Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen (und wenn ja, bis zu welcher Größenordnung) möglich ist, wird die Zukunft zeigen.