Coudé spektrograf

Coudé spektrograf se skládá ze štěrbinové hlavy a vlastního spektrografu. Světlo hvězdy se pohybuje podél hodinové osy dalekohledu. Před vstupem do štěrbinové hlavy prochází nejprve oddělovací skleněnou deskou, která zabraňuje proudění vzduchu a turbulencím mezi coudé místností a kopulí. Za deskou je umístěn zdroj pro flat field a okulár pro pozorování pole (asi 5').Obraz zorného pole se do okuláru odráží výklopným hranolem. Schéma coudé spektrografu je na obrázku.

Štěrbinová hlava

Štěrbinová hlava spektrografu se skládá z otočného kotouče s dichroickými zrcátky, barevných filtrů, štěrbiny příp. kráječe obrazu, expozimetru, zdroje pro srovnávací spektrum s šedými filtry a zdrojů pro flat field a fotometrické klíny. Flat je plošné osvětlení homogenním světlem a používá se ke kalibraci elektronického detektoru. Zdroj flat fieldu je umístěn před polním okulárem a jeho světlo se do směru optické osy přivádí výklopným hranolem. Při exponování na fotografické desky se ke kalibraci emulze pořizují fotometrické klíny. Klíny se do směru optické osy přivádí hranoly.

Dichroická zrcátka spolu s barevnými filtry propouštějí do spektrografu světlo ve vymezených intervalech vlnových délek, aby se při exponování spekter nepřekrývala spektra různých řádů. Po odrazu od dichroického zrcátka dopadá světlo na štěrbinu nebo vstupní clonu kráječe obrazu. Břity štěrbiny nebo clona kráječe obrazu jsou pokoveny, takže mohou odrážet obraz hvězdy do okuláru nebo kamery. To umožňuje pointaci hvězdy. Pokud se používá štěrbina, dá se před ni vložit rozšiřovací deska. Je to planparalelní skleněná deska, která provádí periodické výkyvy, a tak se obraz hvězdy pohybuje podél výšky štěrbiny. Při použití kráječe obrazu se rozšiřování nepoužívá. Vstupní clona má totiž kruhový tvar a její průměr odpovídá velikosti obrazu hvězdy rozmytému atmosférickým neklidem (v případě ondřejovského kráječe obrazu odpovídá průměr clony 3''). Je tedy obraz hvězdy srovnatelný s průměrem vstupní clony a rozšířování se nedá použít.

Před vstupní clonou kráječe obrazu je umístěn výklopný hranol, kterým se do kráječe obrazu přivádí světlo ze zdroje pro srovnávací spektrum. Clona je přesně v místě coudé ohniska dalekohledu. Za ní je vlastní kráječ obrazu. Je to optické zařízení, které, co do rozlišení, nahrazuje štěrbinu širokou 200 mikrometrů. Clona má průměr 1.5 mm a propouští tedy mnohem více světla a tak zvyšuje účinnost spektrografu.

Za kráječem obrazu je polopropustná deska, která odvádí část světla do expozimetru. Ten měří množství světla, které projde do spektrografu a tím umožňuje exponovat spektrum podle velikost zaregistrovaného signálu.

--Schéma štěrbinové hlavy. Modré popisky označují prvky instalované při použití štěrbiny, zelená popiska platí pro použití kráječe obrazu. Hranoly K1 - K6, SR1 - SR2 a SR
--Nárys kotouče (karuselu) s dichroickými zrcátky: a - modré zrcátko, b - infračervené, c - hliníkové (odráží neselektivně v celém rozsahu odrazivosti hliníku), d - červené
--Nárys kotouče (karuselu) s šedými filtry s různou propustností. hk1 -- volný otvor, hk2 - hk6 -- jednotlivé šedé filtry. Barevné filtry jsou rovněž na otáčivém karuselu.

Detail vstupní štěrbiny spektrografu pro exponování spekter na fotografické desky.

Schéma vstupní štěrbiny spektrografu v konfiguraci pro práci s fotografickou deskou. V levé části obrázku je pohled na osvětlenou štěrbinu. Hvězda svítí na střední část
štěrbiny, světlo z výbojek pro srovnávací spektrum na úseky SR1 a SR2. Světelné svazky pro pořízení fotometrických klínů K1 - K6 jsou na obrazu štěrbiny označeny
také, ačkoliv příslušné hranoly jsou umístěny až za štěrbinou.

Princip činnosti rozšiřovací desky. Světlo prochází planparalelní deskou. Při pravidelném
kývání se obraz hvězdy periodicky promítá podél výšky štěrbiny (na obr. vpravo).

Součástí štěrbinové hlavy spektrografu byly v minulosti ještě derotátor zorného pole a optoelektronická hlava pro automatickou pointaci. Derotátor je optické zařízení pro eliminaci rotačního pohybu obrazu v coudé ohnisku, který vzniká v důsledku hodinového pohybu dalekohledu. Za derotátorem se část světla odváděla polopropustným zrcadlem do pointační hlavy. Ta měla stejnou konstrukci jako hlava v ohnisku pointeru.

Automatická pointace

Součástí výbavy dvoumetrového dalekohledu byla také optoelektronická hlava pro automatickou pointaci v primárním a v coudé ohnisku. Pro primární ohnisko byla pointační hlava v ohnisku pointeru, pro coudé ohnisko byla součástí coudé spektrografu). Hlava se skládala z rotujícího skleněného segmentu a fotonásobiče. Skleněný segment měl kruhový tvar a byl rozdělen na poloviny. Jedna polovina byla neprůhledné, druhá průhledná. Fotonásobič byl za skleněným kotoučem a snímal dopadající světlo. Byl-li sledovaný objekt uprostřed zorného pole, dopadalo na fotonásobič stále stejné množství světla. Jakmile se objekt posunul mimo střed, fotonásobič zazamenal "blikání" objektu. Ze známé polohy kotouče v daném okamžiku se dal určit směr, kam se objekt posunul a pointací dalekohledu jej bylo možné vrátit zpět do středu zorného pole.

Spektrograf

Ve spektrografu je paprsek nejprve veden na kolimátor. Ten je tvořený parabolickým zrcadlem s ohniskovou dálkou 4606 mm a světelností 1:32. Kolimátor je zaostřený na štěrbinu, takže z něho vystupuje rovnoběžný svazek a dopadá na mřížku.

Spektrum vytvořené na mřížce se zobrazuje Schmidtovou kamerou a zaznamená buď na fotografické desky nebo na elektronické detektory (Reticon nebo CCD). Při fotografování na desky se kazeta s deskou umístí přímo do optické osy kamery. Při exponování na elektronické detektory se obraz spektra odráží rovinným zrcátkem na vlastní detektor, aby nestínil, protože je v Dewarově nádobě.

K zobrazení spektra lze v ondřejovském coudé spektrografu použít tří Schmidtových kamer s ohniskovými dálkami 1400, 700 a 350 mm. První dvě kamery mají klenutou ohniskovou plochu, třetí má před ohniskem válcovou čočku pro vyrovnání ohniskové plochy do roviny. Kamery s odlišnými ohniskovými dálkami se používají k dosažení různých disperzí.

Účinnost spektrografu

Břity štěrbiny, kterou paprsek prochází, se nastaví na takovou šířku, aby obraz štěrbiny na spektrogramu odpovídal rozlišovací schopnosti detektoru. Užší štěrbina rozlišení nezlepší, ale sníží účinnost spektrografu, protože se zužováním štěrbinv class="obrazekpopis">y klesá množství světla hvězdy, které se dostane do spektrografu.

V mřížkovém spektrografu platí pro obraz štěrbiny vztah:

S2=S1	f'	cosα
	f	cosβ

kde S₁ je šířka štěrbiny, S₂ je šířka jejího obrazu na spektrogramu, f je ohnisková dálka kolimátoru, f' je ohnisková dálka kamery. Paprsek dopadá na mřížku pod úhlem α a ohýbá pod úhlem β. Úhly se měří od normály mřížky. Leží-li oba úhly na stejné straně od normály mřížky, jako je tomu na obrázku, mají stejné znaménko. Při pevném úhlu dopadu se na mřížce světlo různých barev ohýbá do různých směrů a platí tedy λ=λ(β). Mezi vlnovou délkou paprsku a úhly dopadu a ohybu platí vztah mλ=d(sinα+sinβ) , kde m je řád spektra, λ je vlnová délka světla a d je vzdálenost mezi vrypy na mřížce (označíme-li počet vrypů na milimetr jako mřížkovou konstantu a, bude d=1/a ).

Jako příklad uvedeme, jak se zobrazí štěrbina, použijeme-li kameru o ohniskové dálce f'=700 mm. V ondřejovském coudé spektrografu svírá osa 700 mm kamery se směrem paprsků na mřížku úhel 28^o. Nastavíme-li mřížku tak, aby její normála svírala se směrem dopadajícího paprsku úhel 30^o 36^' = 30.6^o, pak úhel mezi osou kamery a normálou mřížky bude 2.6^o. Použije-li se štěrbina široká 200 mikrometrů, její obraz bude široký 26 mikrometrů. Ze vztahu pro vlnové délky vyplývá, že uvedené hodnoty platí pro světlo o vlnové délce 667,3 nanometrů a první řád m=1.

Optická osa kamery o ohniskové dálce f'=1400 mm svírá se směrem dopadajících paprsků úhel α=48^o. Nastaví-li se mřížka tak, aby byla souosá s kamerou, bude β=0^o. Pak obraz štěrbiny široké 110 mikrometrů bude široký 21 mikrometrů. Tyto hodnoty platí pro vlnovou délku 894.5 nanometrů v prvním řádu m=1 nebo 447.3 nanometrů ve druhém řádu m=2.

Uvedené šířky štěrbin 110 a 200 mikrometrů jsou menší než je obvyklý průměr kotoučku hvězdy, rozmytý atmosférickým neklidem. Ztráty světla na štěrbině by tedy příliš snížily účinnost spektrografu. Ke zvýšení účinnosti musíme buď zkrátit ohniskovou dálku kamery nebo prodloužit ohniskovou dálku kolimátoru. Kamera s krátkou ohniskovou dálkou však má nižší disperzi a navíc je její ohnisková plocha silně klenutá, takže se musí používat čočky pro vyrovnání ohniskové plochy do roviny. Druhou zmíněnou možností je prodloužit ohniskovou dálku kolimátoru. Ten ale musí být zaostřený na štěrbinu a musí mít stejnou světelnost jako dalekohledu, tj. musí zachovávat poměr

D	=	dk
F		f

(kde D je průměr dalekohledu, F je jeho ohnisková dálka, d_k je průměr kolimátoru), aby z kolimátoru na mřížku vycházel rovnoběžný svazek. S rostoucí ohniskovou dálkou kolimátoru tak roste i jeho průměr, zvětšuje se šířka svazku dopadajícího na mřížku a tedy musí růst i rozměr mřížky a zrcadla kamery. Jejich cena však samozřejmě roste s velikostí. Je proto třeba hledat kompromis mezi rozlišovací schopností, ohniskovou dálkou kolimátoru a kamery a velikostí mřížky. Použítí Schmidtových kamer a jednotlivých šířek štěrbiny zachycuje tabulka.

V ondřejovském coudé spektrografu má svazek vystupující z kolimátoru šířku 144 mm. Dopadá na mřížku o velikosti 15 x 21 cm, výrobek firmy Bausch & Lomb. Mřížka má 830.77 vrypů na milimetr a rozkládá světlo podobně jako CD, když na ně necháme dopadat sluneční paprsky. Používá se v prvním nebo druhém řádu. Rozložený svazek paprsků pak Schmidtova kamera zobrazuje na záznamové médium.

Schmidtova kamera	Optimální šířka štěrbiny
f' = 1400 mm	110 mikrometrů
f' = 700 mm	200 mikrometrů
f' = 350 mm	450 mikrometrů

Tabulka zachycuje použití Schmidtových kamer a štěrbin v coudé spektrografu.