L’idea di utilizzare una lente cilindrica come collimatore e fenditura condensati nello stesso elemento non mi sembra sia stata sinora applicata nell’ ambito della costruzione di spettroscopi amatoriali, probabilmente per motivi connessi alla convinzione di una maggiore incisione degli spettri ottenuti in un sistema classico a fenditura.

        The idea of using a cylinder lens  both as collimator and slit hasn't, in my opinion still been applied   in the field of the realization of amateur spectroscopes, probably for the supposed better quality of the spectras obtained by a classical slit system.

C’e da dire, tuttavia, che l’uso di questo semplicissimo accessorio facilita moltissimo la costruzione di spettroscopi evoluti per il semplice motivo che elimina una delle ottiche, quella di collimazione, ed un elemento, la fenditura, che è in realtà il cuore del sistema insieme al reticolo e che, se fatta a regola d’arte, è di difficilissima realizzazione da parte di appassionati senza un background  nel campo della meccanica ed una buona officina di meccanica di precisione a disposizione.

La fenditura infatti è prima vista un elemento meccanico umile, ma tale apparenza è erronea, in quanto contribuisce in modo niente affatto secondario alla uniformità del campo spettrale, alla risoluzione del sistema, ed alla incisione delle righe.Una fenditura che si rispetti va lavorata quasi a tolleranze ottiche ed i bordi rifiniti a dovere col rossetto.Ovviamente la stragrande maggioranza degli appassionati usa fenditure per così dire non convenzionali, come quelle ottenute con due lamette da barba o con due lame di temperamatite opportunamente distanziate tra loro.Posso dire tuttavia, per esperienza personale, che tali fenditure , pur lasciando ottenere risultati accettabili, non rendono giustizia ad un buon reticolo.

        The slit may seem a humble mechanical element, but it isn't, for it greatly contributes to the uniformity of the spectral field, to the system resolution and to the sharpness of the lines.The edges of a good slit must be worked "diffraction limited", but this is difficult  for the amateur astronomer to obtain,for they generally use more conventional and easy to  find devices as razor blades, pencil-sharpener blades, and so on. I can say, anyway, that such a  kind of slit  generally don't couple well with a good  grating.

La fenditura, oltre a problemi costruttivi, pone anche problemi di altra natura, quale , nel caso di registrazione di spettri stellari, quello di dover mantenere l’immagine stellare sui bordi della stessa, talvolta di pochi micron di  apertura, con notevoli problemi per la maggior parte delle montature equatoriali di fascia media.

         Using  a slit, furthermore, causes some   problems, as that  to maintain the stellar image  within its edges , sometimes  a few microns wide, thing that it's not easy to do with the most of amateur equatorial mounts.

La lente cilindrica, con la sua proprietà astigmatica di portare i punti al fuoco come linee appare di per sé una fenditura virtuale ideale, a mio avviso particolarmente utile per gli spettri stellari in quanto consente di individuare e registrare (nonché inseguire) lo spettro su tutto il campo inquadrato dal telescopio, e non solo sulla piccola parte individuata dalla fenditura.Certo, le lenti cilindriche di buona qualità ottica sono care, ma anche quelle di media qualità, il cui prezzo si aggira sui 50 € per un diametro di 25 mm, sono sufficienti per lo scopo. La focale della stessa  va scelta in funzione delle dimensioni che si vogliono dare allo strumento (dato che funge anche da collimatore)  ed all’accoppiata con l’obiettivo della camera.La focale di tali lenti è compresa tra i 25 (catalogo Edmund)ed  i 150 mm, motivo per cui  non possono essere usate da sole per strumenti a medio – alta risoluzione, ma bensì associate ad uno strumento ottico che fornisca, in ingresso, già un’immagine puntiforme dell’astro da osservare.

                   A cilynder lens, with its astigmatic property to bring to focus all  the points as lines seeems an ideal vitual slit, very useful for stellar spectra  in order to observe and  to register them in the whole telescopic field and not only in the little part of it limited by the slit.The cylinder lens of good quality are expensive, but those of medium quality too, whose price is quoted about 50 $, are good enough for an amateur spectroscope.As it acts as collimator, the focal lenght must be chosen in relation to the dimension of the instrument and to the camera's lens.Edmund Scientifics has in its catalogue some cylinder lens, with a focal lenght between 25 and 150 mm for a diameter of 25.These short FLs make them useful to build a spectroscope that must   fit into the back of a telescope to obtain enough resolution.

Tale strumento deve coniugare una discreta apertura con una focale non elevatissima, allo scopo di ottenere immagini stellari quanto più possibile puntiformi e di piccole dimensioni, per cui appaiono utili allo scopo i diffusi Schmidt -Cassegrain e, ancor meglio, i Matsukov - Cassegrain tra i 20 ed i 30 cm di apertura.Entrambi, dato che lavorano in genere ad f 10, vanno opportunamente accoppiati ad un riduttore di focale,  possibilmente ad f 3,3 che, come si è visto, è già integrato nello strumento.

                            The telescope must be of a sufficient diameter and   not too long in  focal lenght, in order to get point - like stellar images: that's the reason why the commercial Schmidt - Cassegrain and Matsukov - Cassegrain type are ,in my opinion, the best choice, if coupled to a f 3,3 focal reducer, that's ,anyway, already integrated in the spectroscope.

La lente cilindrica sarà posizionata in modo da essere focheggiata sull’immagine della stella o dell’oggetto in uscita dal telescopio in modo da avere una sottile linea dell’immagine stessa, che verrà inviata come fascio ottico collimato al reticolo.In fase di messa a punto, lo strumento sarà quindi disassemblato  (in pratica diviso in due parti: la prima che termina con il barilotto con la lente cilindrica e la seconda, costituita  dalla scatola col reticolo e l'obiettivo della camera) . La parte con al termine la lente cilindrica sarà applicata alla parte posteriore del telescopio focheggiando  lo stesso sulla lente , usata come un oculare, sino a che l'immagine stellare ottenuta non sarà una linea sottile.Una volta definito ed annotato il punto di messa a fuoco del telescopio,lo strumento potrà essere riassemblato e sarà pronto per l'uso. La sottile linea generata dalla lente cilindrica, vera e propria fenditura virtuale, non soffrirà, com’è ovvio, di nessuna delle imperfezioni, meccaniche  che affliggono quelle generate dalle fenditure, ma avrà solo imperfezioni ottiche dovute al grado di lavorazione  della lente stessa, che è una lente semplice.L’ideale sarebbe disporre di doppietti acromatici cilindrici, ma non so se sono o siano stati mai prodotti e comunque non credo siano commercializzati o disponibili a prezzi accettabili per gli amatori.Per i fini di questi ultimi, le lenti oggi disponibili, in genere prodotte in Cina, vanno, a mio avviso, più che bene.E' opportuno precisare che il fuoco di una lente cilindrica  cade ad una certa distanza da quello dello strumento, per cui , nel caso di rifrattori, l'ingombro complessivo del sistema è superiore a quello ottenuto con strumenti che raggiungono il fuoco con lo spostamento dello specchio primario, Schmidt Cassegrain e Matsukov Cassegrain. e configurazioni analoghe.Lo strumento, come si è detto, è stato comunque testato ed usato con ottiche Schmidt - Cassegrain tantè che nella parte che va verso il telescopio presenta un attacco femmina  per tale tipo di telescopi.

                        The cylinder lens must be set  to focus the image of the star formed by telescope, until it will be viewed as a thin  line, to be sent as a collimated optical input to the grating.In the first setup, the spectroscope must be disassembled and divided in two parts: the first , at whose end is the barrel with cylinder lens, and the second, formed by the grating's box and the camera lens.The first will be applied to the rear end of the telescope, and the focusing knob of the scope itself will be rotated  until  the stellar image as observed through the cylinder lens, used as an eyepiece, will be as thin as possible.The spectroscope will be then riassembled, and possibly the point of focus so obtained on the scope will be blocked, if there is some blocking device, or simply signed for the future use, if not.The thin line generated by the cylinder lens, a true viltual slit, will not suffer of all mechanical defects of real slit, but only of optical defects depending on the grade of quality of the lens itself.The ideal solution should be a  good cylinder doublet, but it is very expensive, and I don't know how easy to find for an amateur astronomer.Anyway, the cheap and easy to find  low grade cylinder lens provided by many firms on the market (Edmund, Oriel, and so on) , probably produced in China, are enough good for amateur spectroscope making.Now, is useful to explain that the focus of the cylinder lens is reached at a small, but negligible distance from the focal plane of the telescope, that falls at a noticeable distance from the end of the tube, so the use of this kind of spectroscope with refractors could bring to very long setup.For this, I always used to work, for my observations and experiments, with Schmidt Cassegrain telescopes with internal  focus movement in order to get the shortest distance of the spectroscope from the end of the tube.

                    Fig. 3

Questa è l’idea di base su cui è nato CLAUS, già sperimentata in una precedente versione dello spettroscopio.Stavolta, tuttavia, il progetto che mi ero prefisso di portare a termine era quello di uno strumento più ambizioso e completo, che permettesse di riprendere gli spettri dei vari oggetti  astronomici osservando nello stesso tempo attraverso un oculare, l’oggetto di cui si riprende lo spettro, sia per una esatta centratura  nel campo della camera, che per la messa a fuoco, sempre critica, in quanto, essendo gli elementi dello spettroscopio (sia collimatore che ottica della camera) a rifrazione, occorre necessariamente rifocheggiare  per ciascuna banda spettrale osservata o ripresa.Pensavo, inoltre, di inseguire direttamente sull’oggetto ripreso mentre la camera ne acquisiva lo spettro, senza la necessità di strumenti accessori.Quest’ultima possibilità non è ancora realizzabile in quanto l’estrazione del fuoco primario non è tale da permettere un tiraggio sufficiente per focheggiare sul chip dell’autoguida, essenzialmente a causa della necessità di compattezza dello strumento, che non consiglia diversi e più lunghi percorsi ottici.Nulla toglie, tuttavia, che tale possibilità possa essere assicurata in futuro con una  lieve modifica alla struttura dello stesso.

                   This is  the basical idea from which CLAUS was born, already experimented in a previous version of the cylinder lens spectroscope.This time, anyway, I intended to aim to a more ambitious project: to register the stellar (and solar) spectras having in the same time the chance to look  through an eyepiece at the star or the object whose spectra is being shot by means of a CCD camera.This both for  centering the star exactly in order to get the most intense spectral image I can, and to   couple  the focusing  point of the telescope to the one of the spectroscope, possibly by means of a parfocal eyepiece.

I was, furthermore, thinking about to guide with another CCD camera set in the place of the eyepiece, but the focal plane falls very close to the beamsplitter, so there should be used a relay or a barlow lens to let the focus reach a more external point.Anyway, I'm trying to get a proper solution to the problem, that can be find with little modification to the existing project.

Parlando di struttura, come risulta visivamente dalla Fig. 1, lo schema ottico dello spettroscopio è relativamente semplice, consistendo di un  beam splitter (o divisore di fascio per chi non mastica inglese) cubico di 40 mm di lato formato da  due prismi a 90° incollati tra loro per l’ipotenusa, che è lievemente alluminata, in funzione del grado di divisione che si vuole ottenere .Quello da  me utilizzato da circa il 70% in riflessione nella parte di fascio ottico indirizzato verso la lente cilindrica ed il reticolo, che è bene sia la massima possibile, ed il 30% in trasmissione, verso l’oculare.Tale ripartizione non è tuttavia critica, essendo ugualmente soddisfacente una soluzione 60/40% molto più facile da reperire.Quanto al costo, probabilmente questo è l’elemento più costoso del progetto, in quanto un  beam splitter di analoghe dimensioni  viene venduto a ca. 300 €. Quello in mio possesso è stato reperito sul mercatino di Porta Portese qualche anno fa a poche lire.Occorre tuttavia considerare due fattori: 1) che per una lente cilindrica di 25 mm un fascio in entrata di 40 può essere utile, ma non indispensabile, e che può essere utilizzato un b.s. da 25 mm, del costo di 170 € ca.; 2) che , al posto di un beam splitter cubico potrebbe  a mio avviso essere utilizzata una piastrina semialluminata di costo notevolmente inferiore (ca. 42 € quella 50 x 50. Fin qui i prezzi orientativi del nuovo nei cataloghi della Edmund e degli altri rivenditori  (Yobin Ivon, Oriel, etc).Una concreta alternativa è invece, quella di ricorrere a rivenditori di materiale di surplus tra i quali l’americana Surplushed che vende prodotti simili , di buona qualità ,a pochi dollari.

                               Talking about the structure of the spectroscope, the optical layout, explained in  fig 1, is quite simple, as it consist of a cubic  beam splitter of 40mm  formed by two 90° prisms joint togeteher .The one I used let pass some 30% light in trasmission and 70% in reflection (the part of optical beam  toward the cylinder lens and the grating).Such a percentage isn't, anyway, critical, being equally satisfactory a 40 - 60 % beam splitter, much more easy to find.About the cost, probably this is the most expensive element of the project, if bought as new item ($ 300).But it could be easily find on the surplus market at a cost  of 30-40 $.Furthermore, instead of the cubic beam splitter could  be used a plane beamsplitter costing much less as new, and a few dollars if from surplus market.The producer of optical items are well known (Edmund industrial optics, Oriel, Yobin Ivon, etc) while in the surplus market I've found very good Surplushed.

Il secondo elemento, che , pur non facendo parte intrinseca dello spettroscopio, ma che comunque viè implementato e che ritengo indispensabile, è un riduttore di focale , preferibilmente ad f 3,3, per due motivi : innanzitutto per ottenere la massima possibile riduzione dell’immagine stellare in ingresso nella lente cilindrica per una migliore qualità dello spettro, e poi per consentire la drastica riduzione della durata delle pose, indispensabile ove non si utilizzi un sistema accessorio di autoguida.Tale elemento, del costo nuovo di ca. 250 € , è vantaggiosamente reperibile, per chi non lo possiede, sul mercato dell’usato a circa 120/150 €. Nella costruzione dello strumento in discorso è stato utilizzato un riduttore di focale Meade sufficiente, dal punto di vista della resa ottica, al nostro scopo.

                               The second element, not structural but very much useful is a focal reducer at f 3,3 , for the following reasons:

-  To get the most possible reduction of the stellar image entering the cylinder lens for the best quality of the spectra being observed;

- To get the smallest possible integration time in the case of is not used a complementary autoguiding system.

Il terzo componente, quello centrale e cuore del nuovo sistema è la lente cilindrica da 25 mm di diametro, acquistata nuova   da Emund Scientifics a 50 €.Di tale elemento ho già discusso, per cui non mi prolungo ulteriormente, sottolineando comunque che le lenti cilindriche sono difficilmente reperibili sul mercato dell’usato e che conviene pertanto acquistarle nuove.

                                     The third component, which is the  core of the new spectroscope is a cylinder lens of 25 mm in diameter, 50 mm FL, bought  new at Edmund Industrial Optics, costing about 40/50 $.This element is to be bought new, for it is very difficult for an amateur to find items like this on the surplus market.

Un discorso a parte merita il reticolo: con un collimatore di 25 mm di diametro ed un cannocchiale (un obiettivo fotografico russo da  58 mm f 2) di uguale apertura un reticolo a riflessione da 25 mm di lato è più che correttamente dimensionato: semmai avrebbero dovuto  essere più grandi le ottiche per coprire la diagonale del reticolo stesso.

E’, inoltre, importante il n° di linee per millimetro del reticolo, da cui dipende direttamente la dispersione spettrale ed il potere risolutivo del sistema.La scelta di un reticolo da 1200 l/mm è obbligata se si vuole ottenere la massima qualità dello spettro .Con l’uso di lunghe focali, il potere risolutivo aumenta ancora, ma abbiamo visto che motivi di praticità e di ingombro  impongono l’uso di focali corte, di circa 50/100 mm.Importante è anche l’angolo di “Blaze” del reticolo, ovverosia l’angolo formato dalle  microscalanature sullo stesso, da cui dipende in quale zona dello spettro si concentrerà la massima energia luminosa.Ho scelto un reticolo blazed per 500 nanometri, in quanto l’idea era di disporre di uno strumento “tuttofare”, non dedicato alla esplorazione di particolari lunghezze d’onda, come IR od UV. Tale lunghezza d’onda è, peraltro,vicina a quella in cui si concentra il massimo ca il 70/80% della efficienza quantica di alcuni dei più diffusi CCD dedicati all’astronomia amatoriale e delle webcam, nonché alla sensibilità luminosa dell’occhio umano che, come si sa, raggiunge il massimo intorno ai 550 nm. Un tale reticolo, nel tipo “ruled” ha un prezzo che si aggira sui  130 € ma vale tutti i soldi che costa.

                                          Another important part of the instrument is the grating: with a collimator of 25 mm in diameter and a camera lens of same diameter the choice a 25 mm reflection grating is more than correct, being a little bigger in diagonal then the optic's clear diameter, but giving a satisfactory resolution for an amateur spectroscope.A thing to consider is the number of lines per mm of the grating, the spectral dispersion and resolving power of the system being strictly connected to it.The choice of a 1200 grooves/mm grating is then the best , considering the price,to obtain a good quality of the spectra.Using longer FL optics causes a further improvement of resolving power, but the aim to build a practical and not heavy and big instrument makes useful 50/100 mm optics.The "blaze" angle, the angle formed by the small incisions on the grating (grooves) defines in which zone of the spectra will be concentrated the maximum light energy.In the case of our spectroscope, we need of an "all purposes" instrument, not dedicated to observation of particular spectral zones, like UV or IR, so a 500 nm blazed grating will be the best choice.Such a spectral zone is also the one in which usually falls the maximum of quantum efficiency of most  CCD cameras and webcams chips, and the top of human eye sensibility.

L’ottica della camera è forse il componente di più facile reperimento, essendo un normale obiettivo fotografico passo a vite 42 x 1, possibilmente senza l’automatismo del diaframma, rinvenibile nei mercatini o sul mercato dell’usato intorno ai 20/30 €.Quello da me adottato è appunto un obiettivo Helios 58mm f 2 a suo tempo pagato solo 5 €.

                             The camera's optic is the most easy to find element, being a normal 50 or 58 mm f 2 lens treaded 42 x 1,which can be bought on the surplus market

Come camera di ripresa,  utilizzo per gli oggetti del cielo profondo la mia MX716, che si accoppia in modo ottimale con lo spettroscopio avendo un innesto femmina 42x1 sul quale va ad inserirsi il maschio dell’obiettivo russo. Per il sole, uso invece una webcam  Philips Vesta.

                                      The camera I use is a Starlight X Press MX 716, a must for its sensibility in every spectral range from blue to red, and that has a 42 x1 threaded female in which is inserted the male of camera lens