2 versions du spectrographe eShel

Par Olivier Garde

 

Présentation

Dans sa version originale, le spectrographe eShel est équipé d’un objectif Canon de 85mm ouvert à f/1.8 qui permet de couvrir un capteur CCD Sony ICX694 (équipant par exemple les caméras ATIK 460ex). Depuis le début de l’année 2020, on voit arriver sur le marché, des capteurs CMOS qui ont des caractéristiques intéressantes pouvant convenir pour un usage sur un spectrographe de type Echelle. Nous allons voir dans cet article quels sont les avantages et inconvénients des 2 solutions proposées.

Nous allons donc comparer 2 setups :

• eShel II : équipé d’un objectif Canon de 85mm ouvert à f/1.8 et d’une caméra ATIK 460ex (capteur CCD SONY ICX694)
• eShel III : équipé d’un objectif Canon de 135mm ouvert à f/2 et d’une caméra ASI 2600MM Pro (capteur CMOS SONY IMX 571)

Les différences mécaniques

La photo ci dessus, montre les 2 versions de l’eShel chacune avec leur caméra respective.

Les 2 optiques se montent sur le spectrographe avec une bague adaptatrice propre à chaque optique (qui n’ont pas le même diamètre). Ces 2 bagues sont fournis avec le spectrographe eShel selon la version choisie. La liaison entre l’optique et la caméra se fait avec une bague M42 dont les longueurs sont différentes selon le type de caméra utilisée :

• 21mm pour l’ATIK 460 Ex (qui a un back focus de 13mm)
• 16,5mm pour l’ASI 2600 MM pro (qui a un back focus de 17,5mm)

La hauteur totale des 2 versions :

• 435mm pour l’eShel II (objectif de 85mm + caméra ATIK 460ex)
• 450mm pour l’eShel III (objectif de 135mm + caméra ASI 2600 MM pro)

Les différences spectrales

 

Voici l’image d’une pose unitaire sur la lampe Thorium/Argon du module de calibration eShel obtenue avec l’eShel II (optique de 85mm et ATIK 460ex). On peut obtenir les ordres 30 à 57 inclus (7600 Å à 3900 Å) mais avec des ordres assez défocalisés dans l’extrême rouge du spectre et dans l’extrême bleu.

L’image ci dessus montre le spectre de cette même lampe de calibration Thorium/Argon avec la configuration eShel III (Objectif de 135mm + ASI 2600 MM Pro). Ici le spectre montre une bien meilleurs focalisation sur les ordres extrêmes et l’on peut aussi atteindre l’ordre 60, voir 61 en conservant donc une bonne résolution. (plage en longueur d’onde de 3750 Å à 7600 Å).

Ci dessus le spectre des 7 raies de Balmer de l’étoile P Cyg que l’on peut obtenir avec un spectro eShel III (optique de 135mm et ASI 2600 MM Pro). On voit que la calibration en longueur d’onde reste aussi précise dans les ordres extrèmes dans le bleu.

Le spectre ci dessus de Vega a été obtenu avec un eShel III avec un plage spectrale de 3820 à 7600 Å. Le télescope qui a été utilisé est un Ritchey-Chrétien de 12 pouces. Le process CMED a été utilisé dans la réduction du spectre pour tenir compte du bruit télégraphique du capteur CMOS.

Et un détail sur le coté bleu du spectre avec les raies du Calcium.

Comparaison des  caméras

Reste à comparer les 2 types de caméras :

• ATIK 460 ex : modèle ayant fait ses preuves mais un peut vieille et avec une technologie CCD. Les pixels du capteur ICX 694 sont de 4,54 µm et le bruit de lecture de 5e-. Le rendement quantique du capteur a un pic à 76% vers 500nm.

 

• ASI 2600 MM Pro : modèle plus récent de 2020 avec une technologie CMOS. les pixels du capteur IMX 571 sont de 3,76 µm et le bruit de lecture de 1 à 3,3e- (selon la valeur du gain). Le rendement quantique du capteur a un pic à 91% vers 450nm, ce qui lui donne une bonne sensibilité dans le bleu du spectre.

 

l’ASI 2600 MM pro a donc un bruit de lecture plus faible, un rendement quantique plus important qui favorise un meilleur SNR dans la partie bleue du spectre; par contre avec un pixel plus petit mais un bruit de lecture plus faible que l’ATIK 460ex.

Par contre l’ASI 2600 a deux inconvénients qu’il faudra prendre en compte dans le choix de la version du spectrographe eShel :

• Le capteur CMOS qui équipé l’ASI 2600 comporte un bruit typique dit « télégraphique », aléatoire d’un pixel à l’autre et non reproductible dont il va falloir traiter au moment du process de réduction. Le process appelé « CMED » dans Demetra et ISIS consiste à faire une médiane des pixels environnants pour traiter le pixel déviant et passer l’image en bin 2×2. Ce process prend plus de temps que le traitement classique CCD.

 

• La taille de la matrice génère de gros fichiers, 50Mo par image (contre 11Mo avec une ATIK 460ex). Ce qui peut poser un problème sur des setups en remote ou il faut rapatrier les données d’une nuit d’observation (avec donc des fichiers presque 5x plus gros).

Conclusion

L’avantage de l’eShel III (Objectif de 135mm + ASI 183 MM pro) est inconstestable pour avoir un meilleur SNR sur l’ensemble du spectre mais aussi au passage, gagner quelques ordres de plus dans la partie bleue du spectre. La focalisation est bien meilleurs et homogène sur l’ensemble du spectre.

Par contre il faudra tenir compte dans le process de réduction des spectres du bruit télégraphique en appliquant une médiane sur les pixels déviants. Pour un usage en remote (en rapatriant les données via internet) le volume de donnée sera presque 5x plus important qu’avec une ATIK 460ex. C’est aussi un élément qu’il faudra prendre en compte surtout si le télescope en remote ne possède pas une liaison internet à très haut débit (fibre optique).

Coté financier, la version eshel III est un peu plus couteuse à cause de l’optique de 135mm mais aussi de la caméra dont le cout est d’environ 25% plus important.