Observation du Soleil économique
dans les raies H et K du calcium

Low cost CaII H/K filtergram
observations of the Sun

L'observation du Soleil dans la couleur d'une raie du spectre, tel la raie Ha ou les raies H et K du calcium ionisé, nécessite d'utiliser un fitre spectral très sélectif. Pour obtenir un bon contraste la largeur spectrale à mi-hauteur du filtre doit être inférieure à 1 angstrom pour la raie Ha, et inférieure à 10 angstroms les raies H et K. Ces filtres sont très délicats à réaliser (au besoin, ils sont thermostatés pour assurer le calage spectral) et donc, très coûteux.

Observation of the Sun in a single line of the spectrum such as Ha or the H/K lines of ionized calcium, requires a very selective spectral filter. To obtain a good contrast the spectral bandpass of the filter must be less than 1 Angstrom [A] for the Ha line and less than 10A for the H/K lines. Such filters are very difficult to make and thus very expensive.  They may need to be in a thermostatically controlled enclosure to ensure there is no drift from the selected wavelength.

Cette page montre une tentative pour observer le Soleil dans les raies H et K du calcium en utilisant des filtres à large bande (100 angstroms de FWHM), comparativement bien moins cher que les filtres spécialisés. Les raies H et K sont situées dans la partie utraviolette du spectre, respectivement aux longueurs d'onde de 3968 A et 3933 A, c'est à dire dans l'ultraviolet. Afin d'accroître le contraste de l'image finale, une combinaison de deux filtres est exploitée. Le premier est centré approximativement sur le doublet du calcium, avec un longueur d'onde centrale de 3940 angstroms. Le second est centré en dehors du doublet, à 4200 angstroms. L'image monochromatique finale est obtenue en faisant la différence de l'image acquise au travers du premier filtre et de l'image acquise dans le second filtre. Cette procédure permet d'éliminer en partie le fond photosphérique qui brouille l'information provenant des raies spectrales. Noter que les deux filtres isolent des régions spectrales relativement proches afin que l'assombrissement centre-bord soit similaire dans les deux images.

This page shows an attempt to record filtergrams of the Sun in calcium light [H/K lines] by using 100A bandpass filters [full-width half-maximum i.e. FWHM] for much less cost than specialized filters.  The H/K lines are located in the ultraviolet [UV] part spectrum at wavelengths of 3968A and 3933A, respectively.  In order to increase the contrast of the final image, a combination of two filters is used.  The first filter, with a central wavelength of 3940A, is centered roughly on the doublet of calcium [H/K]. The second filter is centered away from the doublet at 4200A. The final monochromatic image is obtained by extracting the difference between the two images.  This procedure makes it possible to partly remove the lower photosphere which degrades information coming from the H/K spectral lines.   Effectively the filters isolate two relatively close spectral regions so that the center to edge darkening effect is similar in the two images.

L'instrumentation comprend une lunette FSQ-106 Takahashi (F=530 mm) équipée d'un filtre neutre pleine ouverture et une Audine KAF-1602E (pixels de 9x9 microns). En pratique, il est nécessaire que les images aient un très bon rapport signal sur bruit afin que la différence révèle des détails significatifs et non pas du bruit. Dans le cas présent, 5 images du Soleil occupant la pleine dynamique de la caméra ont été additionnées. Une image flat-field de qualité a ete réalisé en observant un écran situé en avant de la lunette (après avoir retiré la densité pleine ouverture). Les filtres interférentiels, de 24 mm de diamètre, sont placés dans un tiroir situé 30 mm en avant du CCD.

Les filtres ont été achetés chez Edmund Industrial Optics. Voici leur référence et prix :

Filtre 420 nm - K43107 - Prix : 75.00 $
Filtre 394 nm - K46034 - Prix : 115.00 $

Un filtre KG3 a été placé dans le faisceau optique pour faire face à un éventuel défaut de blocage dans l'infrarouge des filtres interférentiels (cela ne semble cependant pas obligatoire avec les filtres Edmond).

Lors du traitement des données, le centrage des images doit être assuré au dixième de pixels près (il a été réalisé intéractivement en utilisant l'outil mosaïque de Iris).

The instrument used was a FSQ-106 Takahashi refractor (F=530mm) equipped with a full aperture neutral density filter and an Audine KAF-160E CCD camera (size of pixels: 9x9 microns).  It is necessary that the captured images have a very good signal-to-noise ratio [SNR] to record detail and not noise.  In the case presented five images of the Sun, occupying the full dynamics of the camera, were averaged together.  Each image was first flat-fielded by recording an evenly illuminated screen placed in front of the refractor after removing the neutral density filter.  The interference filters, 24mm in diameter, are placed in a drawer located 30mm in front of the CCD.

The filters were bought at Edmund Industrial Optics. Here their reference and price:

Filter 420nm - K43107 - Price: 75.00 US$
Filter 394nm - K46034 - Price: 115.00 US$

A KG3  [IR block] filter was placed in the optical beam just in case the above filters did not completely block IR radiation (it does not however seem obligatory with the Edmond and neutral density filters in place).

During the data processing image registration should be accurate to a tenth of a pixels - this was carried out using the Mosaic tool in Iris software.

Figure 1. De gauche à droite, compositage de 5 images réalisées dans le filtre 394 nm, compositage de 5 image réalisées dans le filtre 420 nm, la différence des deux précédentes images. Cette dernière montre l'image du Soleil dans les raies du CaII H&K. Images réalisées le 31/03/2001 à 10H10 TU.

Figure 1. Right - composite of 5 images through 394nm filter; center - composite of 5 images through 420nm filter; left - the difference between the two preceding images i.e. the Sun in H/K [CaII] lines taken 2001 March 3 at 10.10UT.

Figure 2. Comparaison avec des images obtenues approximativement au même moment dans des observatoires professionnels. A gauche,  image CaK provenant du Big Bear Solar Observatory, au centre notre image H&K (en haut à droite dans la figure 1) ajoutée à l'image 394 nm (en haut à gauche dans le figure 1), à droite une image Ha provenant du Sacramento Peak Observatory.

Figure 2. Comparison with images obtained at roughly the same time at professional observatories. Left  - CaK image from Big Bear Solar Observatory; center - our image H/K (top right - Figure 1) added to the image 394nm (top left - Figure 1); right - an Ha image from Sacramento Peak Observatory.

Figure 3. Détail de la région centrale du disque. De gauche à droite, image 394 nm, image 420 nm, image différence (CaII H&K), image BigBear Solar Observatory.

Figure 3. Detail of the central area of the disc. From left to right; 394nm image;  420nm image; image difference (CaII H/K); image from Big Bear Solar Observatory.

Figure 4. La même tentative d'imagerie de la chromosphère avec des filtres de 100 angstroms de large, mais cette fois dans la raie Ha à 6563 angstroms. A gauche, image acquise avec un filtre centré sur la longueur d'onde de 656 nm. Au centre, résultat de la soustraction du compositage de 10 images obtenues à 656 nm et de 10 images acquises à 632 nm (filtres Edmond de références respectives K43138 et K43133). A droite, image Ha réalisée au même moment (1 avril 2001) à Sacramento Peak. L'image différence ne montre aucun détail chromosphérique significatif. La raie Ha est au moins 10 fois plus étroites que les raies H&K, ce qui laissait soupçonner ce dernier résultat.

Figure 4. The same attempt at imagery of the chromosphere with filters of 100A bandpass, but this time on the Ha line at 6563A. Left image acquired with a filter centered over the wavelength of 656nm.  Center image - result of the subtraction of the composite of 10 images obtained at 656 nm and of 10 images acquired with 632 nm (respective Edmond filters references codes K43138 and K43133). Right image in Ha taken at the same time (2001 April 1) at Sacramento Peak. The difference in our image does not show any significant chromospheric detail. The Ha line is at least 10 times narrower than the H/K lines, which leaves these results ineffective.

Conclusion : la grande dynamique (fort S/B) des CCD autorise des observations de la chromosphère par différence d'images réalisées successivement dans une raie spectrale et le continuum voisin. La largeur naturelle des raies H&K du calcium ionisé dans l'ultraviolet permet l'opération pour un budget inférieur à 1000 F. L'expérience est relativement simple (compatible avec un programme de suivi régulier) et suffisamment spectaculaire pour, par exemple, constituer un excellent exercice de travail pratique dans un club d'astronomie ou dans un collège. Le même type d'observation dans la raie Ha avec un équipement similaire n'a pas permis de mettre en évidence la chromosphère (un filtre de 10 angstroms de large centré sur la longueur d'onde de 6563 angstroms semble nécessaire pour obtenir un résultat équivalent à celui  de l'observation dans les raies H&K).

Conclusions: the dynamic range and good SN ratio of CCDs permits observations of the solar chromosphere by extracting differences in images captured sequentially in a spectral line and the background continuum. The broad width of the H/K lines of calcium allows 100A bandpass filters to be used for a budget less than 1000 F / 100 £Sterling / 150US$  [filters only]. The experiment is relatively simple to conduct warranting a regular follow-up programme and are sufficiently spectacular to constitute an excellent practical exercise for an astronomy club or college.  The same type of observation in the Ha line with similar 100A filters did not highlight any chromospheric features  - an Ha filter of 10A bandpass centered over the wavelength of 6563A seems necessary to obtain a similar results to the observation in the H/K lines presented here.

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