Construcción de un coronógrafo de Lyot.

Contrucción y experimentación con láser, lentes y aparatos ópticos.
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emiliano
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Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#1 Mensaje por emiliano »

Hola Muchachos, esta vez me propongo la construcción de un coronógrafo de 100mm de apertura.

Una pequeña introducción:

Hasta el año 1930 la observación de la corona solar solo era posible en condiciones de eclipse total de sol , por lo que los astrónomos no tenían más opción que esperar, desplazarse a la zona del planeta donde el cono de sombra provocado por la luna se proyectaba y tener suerte con el clima.

Felizmente en 1930 el astrónomo francés Bernard Ferdinand Lyot invento el instrumento que lleva su nombre.

El instrumento en cuestión es un telescopio refractor con la particularidad de generar un eclipse total de sol en su interior mediante un disco de ocultación debidamente dimensionado y posicionado en el plano focal.

El mismo consta de los siguientes elementos:

Un objetivo primario plano-convexo, O1.
Un cono-disco de ocultación.
Una lente de campo, O2.
Un diafragma regulable.
Un conjunto de dos dobletes acromáticos O3 y O3´.
Un filtro H-Alfa 656,3nm, ancho de banda 10nm (en este caso).

Descripción del funcionamiento:

Imagen

La imagen del disco solar formada por O1 llega al conjunto cono-disco de ocultación ubicado exactamente en su plano focal, donde es detenida totalmente dejando pasar solo los rayos provenientes de la corona, estos atraviesan la lente de campo O2 que sostiene el disco de ocultación , el diafragma permite regular la luz proveniente de las cercanías del sol, reflejos no deseados y fenómenos de difracción para mejorar el contraste .El objetivo O3 adapta el cono de luz para que al filtro H-Alfa llegue un haz de rayos paralelos ,que es en las condiciones en que debe trabajar dicho filtro que esta destinado a dejar pasar solo la línea H-Alfa del espectro, el objetivo acromático O3´ toma el haz de rayos paralelos para formar en su plano focal la imagen de la corona solar donde se ubica la cámara fotográfica.

Se recomienda que el ancho de banda del filtro H-Alfa sea por lo menos 25nm, a partir de ahí lo mas estrecho que el bolsillo pueda pagar.


Aquí los elementos destinados al instrumento:

La lente primaria O1 se ve esmerilada ya que esta en proceso de tallado, una vez terminada podremos determinar la medida del cono de ocultación y la ubicación de los demás componentes.
La lente de campo creo que era de una mira telescópica.
El diafragma regulable lo saque de un objetivo fotográfico
los objetivos acromáticos O3 y O3´ eran de unos binoculares
Y el filtro H-Alfa fue comprado en eBay, lo estoy esperando...

Imagen



Si el desempeño óptico es correcto se comprará un filtro bastante mas estrecho.

Es importante remarcar que los objetivos O1 y O2 deben estar tallados y pulidos con particular cuidado y dedicación a fin de evitar la mas mínima picadura residual o raya, ya que para este propósito los fenómenos de difracción son muy perjudiciales, así que habrá que esforzarse para conseguir un producto tan bueno como los materiales lo permitan.

Aquí estoy esmerilando la cara plana de O1 con oxido de aluminio de 12 micrones antes del pulido.

Imagen

Bueno, saludos y paciencia...
Saludos.

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#2 Mensaje por emiliano »

Buenas..

Para obtener una imagen de la corona solar completa en el sensor ccd de la cámara de 14mm de chip, deberé diseñar una lente que me dé una imagen del disco solar de unos 8mm de diámetro en el plano focal.

La ecuación es : D= (D” x DFeq )/206265

Donde D es el diámetro del sol sobre el chip
D” es el diámetro aparente del sol
DF.eq. es la distancia focal del sistema óptico
206256” =valor angular del radian

O sea :

Diámetro solar sobre el chip ccd = (1865" x 885)/ 206265"= 8,001mm

Ahora diseñamos la lente objetivo O1 para que nos forme una imagen del disco solar de unos 8mm de diámetro.

La ecuación del fabricante de lentes nos permite calcular los radios de curvatura de las caras de la lente para una determinada distancia focal.

Nuestra lente tendrá 885mm de distancia focal.

1/f= n -1( 1/R x 1/R”)

F= distancia focal
N= índice de refracción del vidrio
RyR” radios de curvatura de las superfucies de la lente,

Como la lente es plano –convexa R se anula, entonces:

1/885= 1,5 -1 (1/R”)
1/885=0;5 (1/R”)
R=0,5x 885
R= 442,5

Una vez que tenemos el radio , calculamos cuanto nos tendrá que marcar el esferómetro.


Imagen

La ecuación es la siguiente.

Flecha= r x r / 2xR

r = radio del esferómetro = 32mm
R = radio de curvatura

F = 32x32 /2x 442,5
F =1024 /885
Flecha = 1,15mm

Hay que mencionar que la distancia focal será aproximada en la práctica a este valor, ya que se prefiere perseguir una mejor calidad de las superficies y no tanto una focal exacta, por lo que cuando esté esmerilada perfecta se procede a pulir sin preocuparse demasiado por si la distancia focal queda unos centímetros más larga o más corta, siempre que se lo tuviera en cuenta de antemano.

Midiendo la superficie plana, ya está lista para empezar a pulir.


Imagen

Y la superficie convexa.


Imagen


Entre otras cosas me ha llegado el filtro H-Alfa.


Imagen

-

Imagen


Saludos, despues la sigo..
Saludos.

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#3 Mensaje por emiliano »

Buenas..

Ya he pulido un rato la superficie plana para un primer control óptico con el montaje de Fizeau, llamado en la jerga de taller, simplemente, "aparato de Fizeau"

El aparato de Fizeau es uno de los mas simples interferómetros,usados para el control de calidad de superficies ópticas de alta precisión.

Cuenta con una fuente de luz monocromática, en este caso neón, un condensador (lente plano convexa) una superficie óptica de referencia (plano patrón) y la pieza a controlar.

Como se ve en el siguiente esquema la fuente luminosa se ubica en el foco del condensador, este genera un frente de onda plano que atraviesa la pieza a controlar reflejándose en el plano patrón.

Imagen

El plano patrón y la pieza a controlar se sitúan con sus superficies ópticas enfrentadas, separadas por una cuña de aire producida por tres calzas de papel delgado.

Imagen

La interferencia muestra un patrón de franjas oscuras y luminosas ,las franjas de interferencia se forman cada vez que el espesor de la cuña de aire varía en lambda/2 por lo que cada franja representa lambda/2 y la forma del defecto es la correspondiente a un corte transversal de la pieza a controlar, o sea, la forma de las franjas muestran el perfil de la pieza ,esto es ,si la curvatura de las franjas es del orden de una franja el defecto corresponde a lambda/2.

La siguiente foto muestra un defecto en el centro (centro elevado) de la pieza como el mencionado anteriormente, normal en el curso del pulido grueso, una vez que la pieza está totalmente pulida se procede a retocar la forma hasta mejorar lambda/8.
Este método permite llegar eficazmente a mejorar la marca de lambda /10 y tiene una sensibilidad limite de lambda/20

Imagen

Más abajo la pieza en la actualidad, todavía falta pulir un 70%.

Una línea recta es materializada por un hilo tensado para permitir la comparación de los defectos con respecto de ésta.
Se observa un defecto central (centro hundido) del orden de media longitud de onda.

Imagen

Saludos.
Saludos.

mpaniaguam
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#4 Mensaje por mpaniaguam »

No pienses que estás sólo, se te sigue con atención como siempre, lo que pasa es que no queremos distraerte.

Un saludo.
1º desconfía de lo que ves.
2º lo que no ves no lo creas hasta que no lo veas
3º después del 2º punto vuelve a aplicar el 1º
mpaniaguam

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#5 Mensaje por emiliano »

Buenas..

Como comentaba cuando arranqué el hilo hablé de una "apuesta fuerte" no me refería al alto precio de los filtros ni del bloque óptico para la lente objetivo,si no que el coronógrafo tiene, entre los aficionados a la óptica astronómica, una mala reputación , la imagen es severamente afectada por el polvo en suspensión en la atmosfera haciendo que el instrumento no se pueda usar todos los días aunque no haya una sola nube ,también lo afecta en igual medida el polvo depositado en las ópticas o volando dentro del tubo y los posibles defectos de fabricación como alguna picadura residual o micro raya, por lo general el tubo va pintado por dentro con un producto pegajoso con el fin de capturar las partículas de polvo dentro del mismo, todos estos inconvenientes se potencian entre sí ,ya que lo normal es que en mayor o menor medida estarán todos presentes.

Esta reputación mete miedo y hace que los constructores aficionados lo eviten por lo que al final no se tiene mucha información empírica que pueda pasar de constructor a constructor.

Así que bien me puedo llevar una sorpresa desagradable, pero bueno, hay una sola forma de averiguarlo.


Ya he pulido la superficie plana durante 8hs con oxido de cerio, cuyo tamaño de partícula es de 1,5 a1,8 micrones y una herramienta de pulir de brea mineral ( en adelante se la llamará "torta de pulir"),sin embargo y atendiendo a la experiencia de Lyot ,que pulía con particular cuidado y perseverancia sus lentes de coronógrafo, sabemos que aunque no se vean las picaduras al microscopio simple ,luego de pulir normalmente estas estarán ahí, por lo que el plan de pulido para obtener la mejor calidad que los materiales puedan ofrecer es el siguiente.

Luego del pulido normal con oxido de cerio ,construiré una nueva torta de pulir y reanudaré el pulido por 8hs mas con rojo de pulir cuyo tamaño de partícula es regular de 0,5micrones.

Imagen del oxido de cerio a la izquierda y el rojo de pulir (oxalato ferroso calcinado) a la derecha.

Imagen

En la foto se observa la torta utilizada con oxido de cerio.
La misma está rayada con un cuchillo caliente, técnica que acorta el tiempo de pulido en un 30%( se tratará el tema en detalle más adelante en un hilo de óptica astronómica)

Imagen
Para hacer la nueva torta de pulir se usará la típica receta que puede ir de 40% resina colofonia 60%brea mineral a 50%-50%, esto varía según la temperatura ambiente que modifica la dureza en frio.

Imagen

Ponemos la resina y la brea en un recipiente bien limpio y al fuego para mezclarlas.

Imagen

El soporte para la brea de pulir es un vidrio de igual diámetro que el vidrio a pulir y hay que calentarlo a unos 70ºC para que al volcarle la brea encima no sufra el choque térmico.
Se calienta el vidrio con el soplete "pincelando" la superficie con la llama, sin detenerse en ningún punto ya que de hacerlo el vidrio se partirá.

Imagen

Una vez que está bien caliente, con cinta de pintor se hace un reten para mantener la brea hasta que solidifique.

Imagen

Y le ponemos una capa de 1 cm de brea liquida.

Imagen

Una vez que está solida así queda.

Imagen

Se retira la cinta y con un cuchillo caliente se realiza un bisel a 45 grados en su perímetro.

Imagen

Se presiona la cara óptica mojada con agua contra la brea aun caliente para que tome la forma y se deja enfriar.

Imagen

La torta lleva estos dos canales a modo de junta de dilatación ya que el material se va prensando durante el trabajo normal.

Se ve el rojo de pulir en los canales, esta torta se utilizará sin rayar a diferencia de la anterior ya que deja la superficie más suave, se pulirá durante 8 hs más.

El interferograma a continuación corresponde a la superficie pulida con oxido de cerio, la superficie está bastante plana, hay que mencionar que las rayas y picadas que se ven están en el dorso del plano patrón ya que, como la superficie convexa esta esmerilada y no se ve a través suyo, el plano patrón se está utilizando arriba de la superficie a controlar teniendo que ser atravesado por la luz de la fuente.

Otra observación es que el contraste en realidad es mucho más fuerte pero la cámara no me lo toma, en realidad las franjas son negras y naranjas muy contrastadas pero con la cámara que tengo no logro captar ese detalle.

Imagen

Aquí la diferencia entre el oxido de cerio y el rojo de pulir, ambos en suspensión.

Imagen

Y a seguir puliendo ..Saludos.
Saludos.

aalbea
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#6 Mensaje por aalbea »

Una preguntita de total ignorante....

Cuando dices "pulir 8h" ¿tienes algún tipo de máquina que mueve la "torta" contra la óptica de manera más o menos regular o aleatoria o son 8 horas de "jarabe de codos" puliendo a mano?

Te lo digo porque para pulir acero inoxidable (se que no tiene mucho que ver, pero es el campo que yo conozco) se utiliza un proceso parecido, aunque mucho menos riguroso y suele quedar mejor a mano que con pulidora, pero la diferencia de trabajo es escandalosa.

Como te comentan, somos muchos los que seguimos tu trabajo pero intentamos no interrumpir.

Un saludo.

Jorge "aalbea"

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#7 Mensaje por emiliano »

Hola,

en este caso el pulido es a mano, las maquinas tienen periodos que introducen deformaciones por estadística, teniendo en cuenta que aquí rige la ley de los números grandes los periodos de las maquinas se repiten unas cuantas miles de veces.
El trabajo a mano es mas aleatorio, y sí, la diferencia es escandalosa teniendo en cuenta que para este caso en especial son 16hs de pulido por superficie.

De todos modos los errores de una determinada maquina uno los va conociendo y va introduciendo variables en las carreras para ir contrarrestando y se borran con un rato de pulido a mano al final.

Sucede que este es un caso muy especial, es muy tenue la imagen que se pretende capturar y la óptica tiene que ser de mayor calidad que en un telescopio considerado muy bueno y aún así me puedo llevar una amarga sorpresa con el filtro, que no todos funcionan, varía según el fabricante y va desde que andan bárbaro hasta que no funcionan y a comprar otro filtro a ver que pasa…

Si no es por la precisión es igual que en el caso del acero inoxidable.

Para el desbaste y el esmerilado había improvisado esta maquinita.

viewtopic.php?f=4&t=16570


Ahora me faltan unas 3 horas para terminar la superficie plana.

Gracias por la pregunta Jorge, y a preguntar che! qué es eso de no interrumpir señores??!!
Saludos.

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#8 Mensaje por emiliano »

Bueno, entre retoques han pasado unas 25hs de pulido de la superficie plana, se supone que no quedan picadas residuales o éstas serán muy pocas.
En comparación con el pulido normal y aceptado como suficiente que es de 8hs para una superficie de 10cm de diámetro.

Imagen

La forma es buena, lamentablemente no puedo obtener mejores imágenes para esta etapa.

Ya está en tolerancia para comenzar el pulido de la superficie convexa, una vez pulida ésta, se procede a anular las aberraciones en el plano focal con el método de Foucault


Bueno lamento no poder hacer que se vean mejor las franjas, pero algo se ve y alcanza para observar que tan plana está la superficie.

Imagen

Imagen

Bueno… y a seguir puliendo, paciencia…

Saludos.
Saludos.

Luigi
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#9 Mensaje por Luigi »

Siguiendo atento y con entusiasmo :D

(Pd: No estaria bueno hacer una Schlieren para fotografiar el escape de los cohetes. O el humo arruinaria todo?)

Saludos

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emiliano
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Re: Construcción de un coronógrafo de Lyot.

#10 Mensaje por emiliano »

Luigi, me motivaste asacar algunas fotos, para el escape de un motor tendría que sincronizar bastante el disparo y cambiar la configuración del sistema óptico para no arriesgar un espejo astronómico.

viewtopic.php?f=11&t=16957


Saludos.
Saludos.

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