19 Jul 2024
======== 1. 다중 분광 데이터 =======
슬릿이 있는 분광기의 데이터는 가로축이 파장, 세로축이 공간(슬릿 방향) 정보를 담고 있다. 슬릿에 수직 방향으로 스캐닝을 하면 아래 그림과 같은 데이터 큐브(data cube)를 얻는다. 다중분광(hyperspectral) 데이터라고도 한다.
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| image source: Astronomical observations: a guide for allied researchers, P. Barmby, 2018, arXiv:1812.07963v1 |
슬릿이 y방향으로 놓여있다면 분광 이미지 하나 하나는 y-λ 차원이다. 이것을 x축 방향으로 쭉 스캐닝 하여 얻은 수 백 장의 사진은 y-λ-x 데이터 큐브가 된다.
데이터 큐브로부터 어떤 정보를 적절히 추출하면 다양한 쓸모가 있다. 아래와 같이 특정 단파장 2D 이미지를 추출할 수도 있고, 슬릿에 수직인 방향의 x-λ 이미지를 뽑아 낼 수도 있다. 단파장 2D 이미지를 여러 파장에서 뽑아서 조합하면 새로운 팔레트의 합성 영상을 만들 수 있다. 기준 파장으로부터 적색/청색 편이 된 이미지를 합성하여 2D로 볼 수도 있다.
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| image source: http://www.astro.iag.usp.br/~navarete/projects.html |
======== 2. Sol'Ex 분광촬영장치 ========
제작할 장치는 이미 크리스티앙 뷜 Christian Buil이 개발한 Sol'Ex 이다. 특별히 태양의 분광 데이터 큐브를 얻기 좋게 설계되었다. 자세한 사항은 아래 링크에 있다.
따라서 분광기의 사양이나 제작에 대한 사전 조사나 이론 부분은 이 포스트에서 더 다루지 않고 제작 과정만 기록으로 남겨두려고 한다. 간단히 광학 레이아웃 보면 아래와 같다.
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| image source: http://www.astrosurf.com/solex/solex-theory-en.html |
이 분광 촬영 장치의 장점: 뭘 할 수 있나?
[1] 태양 촬영에서 장점
① H-alpha, Ca K, Ca H 필터를 따로 살 필요가 없다. He I, H-beta 등 기성 필터가 없는 파장대의 이미지도 얻을 수 있다. 즉, 분광기 하나로 내가 원하는 어떤 파장의 2D 이미지도 얻을 수 있다. 새로운 파레트의 태양 이미지도 구성할 수 있다.
② 태양 스캐닝은 고정 촬영으로 하기 때문에 쉽다. 태양이 흘러가도록 내버려두는 방법으로 촬영한다. 적경 방향으로 보통 2~4배속으로 빠르게 스캔한다. 노출시간과 프레임 전송 수에 따라 다르다.
③ 고분산이다. 에탈론 H-알파 필터의 대역폭 수준으로 이미지를 얻는다. 파장 이동된 이미지도 얻을 수 있으므로 광구의 도플러 이동, 홍염 기체의 도플러 이동, 흑점 주변의 제만(Zeeman) 효과를 검출할 수 있다. 검출 뿐 아니라 2D로 표현할 수 있다.
④ FeXIV 파장 대역에서 코로나를 촬영할 수 있다.
⑤ 제만 효과에 의한 선폭 변화 대역에서 편광 촬영을 하면 자기장 분포 영상을 얻을 수 있다.
[2] 행성, 별, 혜성, 딥스카이
① 고분산 롱슬릿 분광기로서 일반적으로 할 수 있는 관측도 다 할 수 있다. 기본적으로 대구경 망원경을 사용해야 하지만 행성 도플러 관측 정도는 소형 망원경으로도 가능하다.
[3] 사용자 편의
① 개발자(Christian Buil)가 태양 표면을 2D로 추출하는 프로그램, 분광 처리 프로그램과 사용 매뉴얼 영상을 배포하고 있다.
② 분광기 바디를 3D 프린터나 금속 가공으로 직접 만들게 되어 있어서 약간 도전적이기는 하나, 후일 개선과 변형이 얼마든지 가능하다.
======== 3. 부품 준비, 설계 단계 ========
셜리악 회사에서 Sol'Ex 자작용 부품 키트를 판다. 키트에 들어가는 렌즈가 더블렛이고 사이즈가 작아서 별도로 구해볼 생각도 했었다. 구입 직전까지 갔던 제품은 아래와 같다.
[콜리메이터: 초점 길이 80mm] (enlarging lens)
Schneider Kreuznach Componon-S 5.6/80mm : legacy
Schneider Kreuznach Componon-S 4/80mm : new
[포커서 렌즈: 초점 길이 125mm]
Schneider Kreuznach Componon-S 5.6/135mm (enlarging lens)
Schneider Kreuznach Componon-S 5.6/135mm (enlarging lens)
초점 길이가 설계보다 길지만 상관 없음.
그러나 가격이 너무 비싸다.
부품 키트에 들어가는 렌즈도 개발자가 충분히 검증하고 테스트한 부분인데다, 기존 사용자들의 결과물도 나쁘지 않은 것 같아서 기본 키트를 구입했다.
20 Jul 2024
● 센서 선정
슬릿의 길이가 4.5mm이고 분광기의 확대율은 125/80이므로 센서에 투영되는 슬릿의 길이는 7.03mm이다. 따라서 센서의 가로 폭은 7mm를 넘어야 한다. 1/2인치 급 센서를 고르면 된다.
[ 우선 고려할 센서 ]
- IMX678 흑백. 2.0μm. 3840px*2160px. 7.7mm*4.3mm. 47FPS
- IMX178 흑백. 2.4μm. 3040px*2048px. 7.3mm*4.9mm. 60FPS
[ 다른 가능한 센서 ]
- 2.9μm 이고 FHD인 다른 센서들(IMX290, IMX462, IMX662). ; 이들은 사이즈가 작다.
- 3.75μm 이고 FHD인 다른 센서들(IMX385); 모노 센서가 없다.
- 5.86μm 이고 FHD인 IMX174; 현재 보유중.
● 태양 전체 이미징
태양 전체를 촬영할 때 태양의 상이 슬릿보다 작아야 하므로 4mm 정도로 계획해본다. 시직경이 0.5도이므로 망원경 초점 길이는 FL=458mm가 된다. 이보다 장초점에서는 태양 전체를 담을 수 없다. 이 조건에서 센서에 결상되는 상의 크기는 6.25mm이다.
● FS60CB+1.04xFC 조합의 초점길이는 FL=370mm f/6.2가 된다. 이때 태양 상의 크기는 3.22mm가 된다. 센서에 결상되는 크기는 5.03mm이다.
● FL=700이면 슬릿에서 태양 상은 6.1mm, 센서에서 태양 상은 9.54mm가 된다. 슬릿 길이가 7.5mm면 되고 센서는 IMX174 정도면 된다.
● FL=1500이면 슬릿에서 태양 상은 13mm, 센서에서 태양 상은 20.45mm가 된다. 슬릿 길이가 15mm 정도 되어야 하고 센서는 APSC가 되어야 한다. ▶ 센서가 작아도 여러 번 나누면 되고 스캔이 어렵지 않기 때문에 굳이 큰 센서로 갈 필요는 없다.
● 스케일 검토
FL=458mm일 때 슬릿 폭 10μm는 하늘에서 4.5"에 해당하고, 센서에 15.625μm로 투영된다. 슬릿 폭은 지상에서 시상보다 조금 크다.
● FS60CB+1.04xFC_(FL=370mm) 사용시 5.57"이다.
26 Jul 2024
● 설계 확정
기존 공개된 STL 파일의 치수를 측정해서 똑같은 규격으로 가기로 했다.
다만 렌즈 튜브 등은 M42 쓰레드가 들어간 금속 튜브로 결정했다.
일단 3D 프린터로 뽑아 가조립과 테스트를 해보고, 분광기 벽체 부분만 금속 가공을 할 예정이다. 상판 하판은 무게를 봐서 금속을 더 가공할지도 모르겠다.
일단 태양 관측 주력 장비로 사용할 계획이라서 분광 가이더는 보류.
● 부품 구입
* 카메라는 IMX178 센서를 사용한 아이피스형 카메라. 약 350달러.
* M42 쓰레드가 있는 튜브(지름 44mm, 길이 63mm 각 2개)
* 광학 부품은 지난 번에 주문했고.
* 콜리메이터용 렌즈로 슈나이더 콤포논 S 80mm f4를 구입하기는 했는데 이번 설계에서는 제외. 훗날 이걸로 변경할 일이 있을지는....
29 Jul 2024
○ 셸리악에서 광학 부품이 왔다.
○ 더 구입/제작해야 할 것들:
* ND16필터. 이거는 투과율 1/16=0.0625로 OD1.2와 유사. 지름 62mm로 할까.
* 필터 장착할 후드 제작
* 다이어프램 또는 전면 마스크
* 태양 관측시에도 가이더를 쓰려면 가이드 캠 앞에 붙일 필터 ND8 정도?
* 편광 필터 드로어, 편광 필터 2개(서로 직교)
* 530nm 협대역 필터(Fe XIV 5303Å); 또는 Baader continuum (CWL=540nm, FWHM=7.5nm← current type) 필터를 약 25˚ 기울여 설치.
○ 분광기 세팅 방향 확인; 슬릿의 방향이 N-S 방향(적위 방향)이 되게한다.
06 Aug 2024
* 부품을 받고 실측 수치로 설계를 바꾸었다.
* 회절격자를 외부에서 쉽게 넣고 뺄 수 있으면서 정밀도가 높은 회전장치로 바꾸어야 겠다. 중공 타입이면 이게 가능하다. 천체 관측용 CAA를 써도 되지만 기존에 편광 회전 마운트(Melles Griot )를 갖고 있어서 사용하기로 했다.
17 Aug 2024
● 프로토타입 1형 완성 및 테스트
아래 사진은 안시용 세팅.
부분 확대로 찍은 몇 개 샷. 자르기만 하고 보정은 안함.
① 초점 위치는 계산된 때로 딱 맞게 나온다.
② 회절격자를 돌려주는 장치가 부드럽고 요동없이 잘 움직인다.
③ 슬릿 위치와 방향 조절도 좋은 편이다.
④ 선이 가늘고 또렷하다.
⑤ 안시 관측에선 구면 수차가 거의 느껴지지 않고 구석 상도 좋다.
⑥ 왜곡은 있다.
⑦ 3D프린터로 나사산을 출력하는 데는 문제점이 많다. 특히 세로로 세워서 출력할 수 밖에 없는 상황이라 인쇄 품질이 나쁘고 후가공도 엉망이다. 결국 카메라 쪽 튜브가 약간 기울어져 조립되었고 슬릿의 일부가 잘려 보인다. 버리고 다시 출력해야한다.
⑧ 먼지가 있는 것 같아 회절격자를 좀 건드렸는데 스크레치가 많이 났다. 먼지는 다른 데 있는 거였음.
● 프로토타입 2형(플라스틱 버전) 설계 변경
일단 3D 프린터 버전으로 좀 고쳐서 만들어보려고 한다. 이러다가 귀찮으면 그냥 쭉 사용할 수도 있음.
① M42 나사산을 출력하지 않고 기존 금속제품을 활용하는 걸로 수정
② 슬릿 회전은 튜브를 돌리는 방식으로 변경
③ 분광기 내부의 렌즈 회전을 위한 손잡이 추가.
④ 기타 유격이 있는 부분 조금 더 꼭 맞게 치수 조정
18 Aug 2024
● 분해능 확인하기.
중심 파장 약 5000Å 부근에서 가로 방향으로 4876~5108Å 약 222Å의 폭이 촬영된다.
가로 3040px이므로 표면상 분해능은 0.073Å/px이다. 그러나 가장 가늘고 선명한 선이 약 4px로 찍히므로 실제 분해능은 0.29Å 정도로 보아야 한다.
분해능은 R=5000/0.29=17117 정도이다. 다른 파장 대역에서는 좀 다르게 나오겠고.
● 기타 성능 확인
① 센서 우측에서 초점이 맞지는 않는데 아마도 튜브 경사 때문인 것 같다. 틸트가 잡히면 구면 수차와 만곡 수차가 드러나겠지만 크지 않을 것 같다.
② 파장 대역에 따라 초점 위치가 많이 달라진다. 의심되는 원인은... 세 가지로 추측. (1) 회절격자 회전축이 안맞아서 회전할 때마다 거리가 달라져서 (2) 콜리메이팅 및 포커싱 렌즈의 위치가 부적절해서 (3) 센서(를 포함한 튜브 전체)의 틸트.
③ 관측 가능한 범위: 칼슘K(3934Å)에서 10~20Å 정도 더 짧은 파장까지(약 3910Å 부근) 찍힌다. 근적외선에서 산소 B밴드(6867-6944Å)에서 많이 약해지고 수증기 밴드(7163-7394Å)는 노출을 길게 주어야 겨우 찍힌다.
④ 빠른 이미징을 위해 2x2 비닝을 해도 되겠다. 샘플링 수준에 문제가 없을 것 같다.
21 Aug 2024
● 프로토 타입 2 완성
변경된 사항
① 튜브 연결부가 훨씬 견고해졌고 회전각 조절도 가능해졌다.
② 튜브 연결부를 두껍게 바꾸면서 내부 부품들의 위치도 변경했고
③ 튜브 내경에 꼭 맞게 연마해서 유격을 없앴다.
● 조립시 유의점
① 렌즈 조립시 빛이 들어오는 방향에 "△"표시가 되어 있다. 표시 있는 쪽이 외부로 향하게 조립한다. 밝은 빛을 이용하기 때문에 렌즈에 묻은 작은 먼지도 이미지에 많은 영향을 미친다. 반드시 깨끗하게 제거한 후 조립.
● 튜닝시 순서와 유의점
① 대략적인 초점 맞추기: 슬릿과 콜리메이터 사이 80mm 대략 맞추고, 센서와 포커싱 렌즈 사이 125mm로 대략 맞춘다. 이때 헬리컬 포커서의 드로튜브를 중간 정도에서 초점이 맞도록 하자.
② 슬릿과 카메라 방향 설정(대략적인 설정): 아래 그림과 같은 방향으로 대략 맞추고 시작. 이번에 만든 버전에서는 슬릿 홀더가 고정되어 있으므로 튜브 전체를 회전시켜서 맞춘다. 카메라의 가로 방향도 슬릿 방향과 나란하게 배치한다.
③ 회절격자의 회전각 알아두기: 0차 상(단순 반사), 1차 분산을 보려면 회절격자가 어느 정도 회전 위치에 있어야하는지 표시해둔다. 내 경우에서, 각도기 눈금값으로 90도는 입사광 정면, 73도는 0차 상(카메라에 슬릿이 직접 찍힘), 45도부터 25도까지 가시광선 스펙트럼이 찍힌다.
④ 카메라 각도 및 거리 조절(정밀): 카메라와 포커싱 렌즈 부분만 따로 떼어 원거리에 초점을 맞춘다. 분광기 초점을 맞추는 헬리컬 포커서의 눈금은 5.00에 둔 상태로 원거리 초점이 맞도록 카메라의 위치를 조정했다.
⑤ 슬릿 위치 조정: 카메라 튜브의 초점을 맞춘 다음에는 슬릿과 콜리메이터 사이의 거리를 조정하는 단계다. 분광기를 다시 조립한 다음, 슬릿이 직접 보이도록 회절격자를 0차 상 위치에 둔다. 카메라에서 슬릿의 상이 선명해 지도록 슬릿을 앞뒤로 조정한다. 이렇게 콜리메이터와 슬릿 사이의 거리를 맞춘다. 이때 카메라쪽은 모두 고정되어 있어야 한다.
⑥ 카메라 회전 위치 조정: 밝은 광원을 주고 회절격자를 돌려 약 500nm 근방의 분산을 관찰한다. 분산된 방향(파장 축)이 카메라 센서의 세로축과 나란하도록 카메라를 조금씩 회전 시킨다.
⑦ 분산 영역을 화면 가운데로 보내기: 이 부분이 좀 어렵다. 슬릿 튜브의 틸트, 회절격자의 조립 각도를 조정해야 한다. 회절 격자를 돌리면서 카메라로 관찰하면서 400~700nm 범위를 쭉 훑어볼 수 있다. 이때 좌우 여백이 서로 비슷하고 폭이 변하지 않아야한다(아래 그림의 까만 영역). 나의 경우 회절격자의 전후방 경사를 아주 조금씩 조정한 후, 슬릿 달린 튜브의 경사를 조정(정말 조금씩)해서 타협을 보았다.
⑧ 슬릿의 회전 위치 조정: 흡수선, 방출선 또는 0차상(슬릿)을 본다. 슬릿이 들어있는 튜브 전체를 조금씩 틀면서 선이 화면에서 좌우로 수평이되었을 때 튜브를 고정한다. 아래는 약간 교정이 덜 된 상태.
● 향후 과제
① 슬릿에 열이 집중되므로, 슬릿 홀더의 소재를 금속으로 교체해야한다. 기존 아이피스 외경을 깎으면 쉽게 가능할 것 같다.
② 3D 프린팅 소재(PLA) 특징상 분광기 바디와 튜브 내부의 빛 반사가 큰 편이다. 무광 처리가 필요하다.
26 Aug 2024
아래는 저녁 하늘 스펙트럼이다.
신호값이 좋은 이미지는 아니지만, 수차가 있다는 건 확인된다.
하늘은 면광원 산란광이라서 여기 보이는 수차는 망원경 수차는 아닐 것이고, 분광기 내부의 콜리메이터와 포커싱 렌즈의 수차일 것이다.
좌우 슬릿 끝부분 초점이 나간 걸 보면 광학 부품 사이의 거리 조정이 덜 된 것 같기도 한데, 이걸 바로 잡으면 수차가 개선될런지는 모르겠다.
아무튼 분광기 설계를 당장 바꾸지 않고 일단 이대로 사용해보고, 나중에 아쉬우면 광학계를 좋은 걸로 바꾸던가.
31 Aug 2024
며칠 사이 따사로운 햇살이 참 좋다.
슬릿 튜닝이 정말 어렵다. 다음에 금속으로 만들 때는 틸트/회전 조정기를 삽입해야겠다. 세트 스크루 가지고 풀었다 조였다 하는 방식 말고 스프링이나 기어로 섬세하게 조절할 수 있는 방식으로.
포커서 유격도 생각보다 거슬린다.
태양을 직접 보면서 초점을 맞추니 수차 문제는 크게 두드러지지 않는 것 같다. 하늘 배경으로 보는 것보다 가장자리가 더 선명하다.
아래는 태양 스캔 장면. 문제 없다.
* 가로 방향이 슬릿 방향. 광학적으로 경사광을 쓰면 이렇게 곡선이 된다.
* 세로 방향은 파장 축
* 중간 중간 보이는 검은 세로 선은 흑점의 스펙트럼
* 밝은 부분 좌우 끝이 태양 면의 가장자리
* 넓어졌다 좁아지는 것은 슬릿에 수직 방향으로 스캔하기 때문.
* 얼룩덜룩 세로 선들로 미묘하게 명암이 변하는 것은 태양 표면의 홍염(필라멘트), 대류 구조, 백반 등이 나타나는 것임.
Ha 추출 및 재구성 이미지
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Halpha "scan" image with Sol'Ex 2024-08-31 12:44 KST Takahashi FS60CB(without FR,Ext) + Hoya ND16 + Sol'Ex custom wavegear mount Sharpcap, JSol'ex |
비슷한 시기의 NSO-GONG 사진
이로써 Sol'Ex 제작 파트는 이걸로 종결.
금속으로 재가공하거나 일부 설계 수정하는 것은... 언젠가 하겠지....
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