第37卷第6期中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.37 ,No.62007年6月JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINAJun.2007文章編號(hào)0253-2778( 2007 )06-0596-05LAMOST光纖定位技術(shù)邢曉正,胡紅專(zhuān),褚家如(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系安徽合肥230027)摘要:對(duì)于在建的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡( large sky area multi-object fiberspectroscopy telescope , LAMOST )而言,如何在直徑為1.75 m的球冠形焦面板上將4 000根光纖快.速定位實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀(guān)測(cè)4000個(gè)天體目標(biāo)是其兩大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一.本文介紹了由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出的分區(qū)并行可控光纖定位技術(shù)的總體設(shè)計(jì)思想,以及在研制過(guò)程中解決的技術(shù)問(wèn)題討論了亟待解決的光纖定位的位置測(cè)量問(wèn)題。安裝后的LAMOST焦面光纖定位小系統(tǒng)在興隆現(xiàn)場(chǎng)已完成了與其他系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)成功地批量獲得了天體光譜.持關(guān)鍵詞天文望遠(yuǎn)鏡大天區(qū)面積多目標(biāo);光纖光譜光纖定位焦面中圖分類(lèi)號(hào):P11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A約平Optical fiber positioning technology for LAMOST述XING Xiao-zheng , HU Hong zhuan , CHU Jia-ru( Department of Preeision Machinery & Precision Instrumentation , USTC , Hefei 230026 , China )Absract :The constructing LAMOST( large sky area multi-object fiber spectroscopy telescope ) will observe 4 000celestial objects at the same time. But one of the two key technologies which should be resolved is how to positionthe 4 000 optical fiber units rapidly on the convex focal plane( with the diameter of 1. 75 m ). The whole designideas of the region parallel controllable optical fiber positioning system , which is invented by USTC LAMOSTsubsystem group , are introduced. Then the scheme for the difficulty of the technical key points in the researchingprocess and the unresolved problem for the location measurement of the fiber positioning are discussed. Theacceptance LAMOST focal plane optical fiber positioning minor system have already installed on the XinglongStation of National Astronomical Observatory and debugged with other subsystems of LAMOST. Recently , LAMOSThave successfully collected many celestial spectra.Key words : telescope ; LAMOST ;optical fiber positioning ;focal plane ; spectrum幣LAMOST是一臺(tái)橫臥于南北方向的中星儀式反.0引言射施密特望遠(yuǎn)鏡,由在北端的反射施密特改正板為了大幅提升我國(guó)在大規(guī)模光學(xué)光譜觀(guān)測(cè)和大(MA)在南端的球面主鏡(MB)和在中間的焦面視場(chǎng)天文學(xué)研究方面的水平國(guó)家于1996年將大天機(jī)構(gòu)構(gòu)成 有效?徑為中國(guó)煤化工設(shè)計(jì)可觀(guān)測(cè)最弱星等區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡( LAMOST )工程為20.5等.的球冠形焦面項(xiàng)目列為國(guó)家重大科學(xué)工程總造價(jià)2.35億元人民THCNMHG板范圍內(nèi)放置，UwJm兒_i Du叭'響將接收到的萬(wàn)肯*烽艷日期2007-04-28修回日期206-11著簡(jiǎn)介邢曉正通訊作者).1943年生男教授. E-mail : x@ uste. edu.cn第6期LAMOST光纖定位技術(shù)5974000個(gè)天體的光傳到光譜儀中光纖另一端再把(7)光纖端面不能離焦;光轉(zhuǎn)換成光譜數(shù)據(jù)并記錄下來(lái).目前,世界上的(8 )4 000根定位光纖在運(yùn)動(dòng)時(shí)相互之間不能光纖光譜望遠(yuǎn)鏡中,放置光纖最多的是美國(guó)的有干涉(相互碰撞)等.SDSS望遠(yuǎn)鏡,它能放置660根光纖可同時(shí)接收國(guó)外現(xiàn)有的光纖定位方法有磁扣法和孔板法兩約600個(gè)天體的光并轉(zhuǎn)換成光譜.因此,當(dāng)種.磁扣法是將光路通過(guò)小棱鏡轉(zhuǎn)90°進(jìn)人光纖人LAMOST建成時(shí),它便成為世界上看得最深遠(yuǎn)射端在棱鏡下方放置一塊小磁石通過(guò)機(jī)器人將其的、可同時(shí)觀(guān)測(cè)天體最多的光纖光譜天文望遠(yuǎn)吸附在鐵基焦面基板.上光纖則躺在焦面基板上將鏡. LAMOST外觀(guān)如圖1所示.人射光引到光譜儀中.歐洲及澳洲的望遠(yuǎn)鏡用此方法最多能同時(shí)放置約400根光纖.這種方法之所以很難用于LAMOST一-是因?yàn)?000根光纖在焦面板上排布不下二是因?yàn)楣饫w勢(shì)必要延伸到焦面板之外遮擋光線(xiàn).美國(guó)SDSS望遠(yuǎn)鏡采用的是孔板法.它采取在一塊直徑約500 mm的鋁板上按預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)打孔的方式其坐標(biāo)是根據(jù)要觀(guān)測(cè)的天區(qū)天體坐標(biāo)(已知)換算到焦面板上而定的.在觀(guān)測(cè)前由人工把660根光纖插好然后開(kāi)始觀(guān)測(cè).對(duì)于焦面直徑特為1.750m、其上有4000根光纖、按設(shè)計(jì)要求---個(gè)晚圖1 LAMOST 示意圖上要觀(guān)測(cè)5 ~6個(gè)天區(qū)的LAMOST這就意味著- -晚約Fig. 1 Sketch map of LAMOST上要插拔4000根光纖5~6次,而且這5~6塊焦面評(píng)1技術(shù)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方案板上的孔要事先加工好顯然在工程上難以實(shí)現(xiàn).述為了解決使4000根光纖能夠同時(shí)對(duì)準(zhǔn)觀(guān)測(cè)目在這樣一個(gè)創(chuàng)造了多個(gè)世界第一的望遠(yuǎn)鏡中，標(biāo)的光纖定位問(wèn)題課題組提出了分區(qū)并行可控的有兩大關(guān)鍵技術(shù):-是薄反射鏡片形狀控制的主光纖定位方案.此方案的提出得到國(guó)內(nèi)外天文學(xué)家動(dòng)光學(xué)"技術(shù)由南京天文光學(xué)儀器研究所完成二的一致好評(píng)這也將成為下一代大視場(chǎng)多目標(biāo)光纖是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)承擔(dān)的4000根光纖的光纖光譜技術(shù)中的發(fā)展方向.在方案的工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,定位”技術(shù). .我們用了10年的時(shí)間解決了機(jī)械設(shè)計(jì)與工藝、控制光纖光譜望遠(yuǎn)鏡在觀(guān)測(cè)不同的天區(qū)時(shí),天體的與 驅(qū)動(dòng)、光纖位置的精密測(cè)量等方面的一一個(gè)又一個(gè)像(光斑)落在焦面的不同位置上為了盡可能多地技術(shù)難點(diǎn).接收到天體的光能量除了要求望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)2分區(qū)并行可控式光纖定位系統(tǒng)具有好的性能外還必須讓焦面上的每--根光纖的人射端都準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)天體的像,亦即在望遠(yuǎn)鏡的2.1主要設(shè)計(jì)思想01.75m的焦面范圍內(nèi)要求每一-根光纖的端部分區(qū)并行可控式光纖定位系統(tǒng)由基板(焦面滿(mǎn)足:板)4000個(gè)光纖定位單元、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量標(biāo)(1)定位誤差小于40μm;定系統(tǒng)四部分組成,如圖2所示.其主要設(shè)計(jì)思想.( 2 )每次改變觀(guān)測(cè)天區(qū)時(shí)4 000根光纖的重新是將直徑1.75m的焦面分成約4000個(gè)033mm定位時(shí)間小于10 min ;的、相互重疊無(wú)盲區(qū)的小圓.每個(gè)小圓內(nèi)均放置-一個(gè)(3)因?yàn)榻姑嫦到y(tǒng)處于望遠(yuǎn)鏡的光軸上,因此有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度的光纖定位單元每個(gè)單元上放要求在光纖的入射光方向上不得有任何遮擋;置一根光纖中國(guó)煤化工心孔穿過(guò)焦面(4 )焦面的周?chē)坏糜腥魏螜C(jī)構(gòu)以免擋光;板然后進(jìn)入YHCNMHGj25.6mm如(5)由于天體像的光斑可能落在焦面上的任何圖3所示.雙回轉(zhuǎn)光纖定位單元包括-一 個(gè)中心回轉(zhuǎn)軸位置,因而光纖的人射端部必須能在焦面的任何位和一個(gè)偏心回轉(zhuǎn)軸兩軸組合運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)觀(guān)測(cè)范圍內(nèi)置實(shí)現(xiàn)快速精確定位我們稱(chēng)之為無(wú)盲區(qū);任意位置的定位如圖4所示其技術(shù)指標(biāo)如下:萬(wàn)方數(shù)鋦在定位過(guò)程中光纖的指向必須保持不變;598中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)第37卷測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)光纖定位單元(4096x4 096CCD相機(jī))+90°D望遠(yuǎn)鏡焦面焦面機(jī)構(gòu)-909-180° | i +186°焦面板光纖束.驅(qū)動(dòng)電纜-圖像采集卡師光譜儀控制主機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)柜圖2分區(qū) 并行可控式光纖定位系統(tǒng)圖4雙回轉(zhuǎn)光纖定位單元原理圖Fig. 2 Distributed parallel controllableFig.4 Principle of double revolving optical fiber positioning unitoptical fiber positioning system二維焦面坐標(biāo)定位精度:<40 μm;持離焦量:<0.1 mm ;約對(duì)心度誤差:<0.5° ;評(píng)定位時(shí)間:<10 min ;術(shù)25.6.150工作溫度:-25° ~35%(正常工作),-40° ~50° .(不被破壞);機(jī)構(gòu)重量:<2 000 kg.[0332.2光纖定位單元我們采用的雙回轉(zhuǎn)光纖定位單元由繞單元中心0° ~360的中心回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及繞二分之-半徑處0° ~180°的偏心回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成如圖5所示.這種雙回轉(zhuǎn)定位原理的單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單在定位過(guò)程中光纖- -方圖3焦面分 區(qū)示意圖面隨偏心支架作中心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)另- -方面又在偏心Fig. 3 Distributed focal plane片簧光纖光纖架偏心支架偏心軸齒輪可團(tuán)中心軸滾動(dòng)軸承中心空心軸中心軸鎖緊螺母中心軸內(nèi)齒輪光纖中國(guó)煤化工MHCNMH G中心軸步進(jìn)電機(jī)中心電機(jī)軸齒輪]圖5雙回轉(zhuǎn)光纖定位單元傳動(dòng)示意圖Fig. 5 Transmission of double revolving fiber positioning unit第6期LAMOST光纖定位技術(shù)599支架上繞偏心回轉(zhuǎn)軸作偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中光纖定位控制主機(jī)先從OCS接收指令和待觀(guān)的光纖接收端面相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡光軸不產(chǎn)生偏斜,且測(cè)星象的坐標(biāo)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、觀(guān)測(cè)規(guī)劃處理以及干始終在望遠(yuǎn)鏡焦面上運(yùn)動(dòng)不會(huì)離焦.涉處理并計(jì)算出分配到單元的星象相對(duì)于單元點(diǎn)光纖繞偏心回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑等于中心軸與偏的坐標(biāo)然后將數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的單元控制器由單心軸的距離為8. 25 mm.當(dāng)偏心回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到+ 180°元控制器完成定位工作.同時(shí)將觀(guān)測(cè)天體對(duì)應(yīng)的光時(shí)光纖轉(zhuǎn)到033mm的定位圓周上;偏心回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)纖編號(hào)傳遞到望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).到0°時(shí)光纖頭正好回轉(zhuǎn)到定位圓心.這樣通過(guò)空從圖6中可見(jiàn)控制系統(tǒng)分以下幾個(gè)部分:心軸0°~360°的回轉(zhuǎn)和偏心回轉(zhuǎn)軸0°~180°的回(1)控制計(jì)算機(jī):其任務(wù)是從OCS接收指令、轉(zhuǎn)我們即可在033mm整個(gè)定位圓區(qū)域的任意位星象坐標(biāo)、進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算和干涉計(jì)算顯示并向置對(duì)光纖進(jìn)行精確定位且沒(méi)有定位盲區(qū)光纖固定OCS報(bào)告各種狀態(tài)及報(bào)警信息.在偏心回轉(zhuǎn)軸上光纖架的安裝孔中(孔軸線(xiàn)平行于(2)通訊在控制計(jì)算機(jī)和單元控制器之間傳空心軸線(xiàn))并經(jīng)空心軸內(nèi)孔引出穿過(guò)焦面板后連送控制及狀態(tài)信息.到光譜儀上.為減少累積誤差提高光纖定位單元的(3)單元控制器:其任務(wù)是把控制計(jì)算機(jī)的控運(yùn)動(dòng)精度和可靠性我們?cè)趩卧显O(shè)計(jì)了機(jī)械電零制信息轉(zhuǎn)換成電機(jī)的控制信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)器.單元位裝置作為單元運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)起點(diǎn)控制器有零位信號(hào)處理功能以及相位記憶功能,保2.3光纖定位控制系統(tǒng)證電機(jī)再啟動(dòng)是從停止?fàn)顟B(tài)的相位啟動(dòng)以減小定位特LAMOST光纖定位系統(tǒng)共有約4000個(gè)單元每誤差.個(gè)單元由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在直徑33mm的圓周(4)驅(qū)動(dòng)器對(duì)單元控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行功約內(nèi)移動(dòng)根據(jù)0CS(觀(guān)測(cè)控制系統(tǒng))提供的星表將光率放大直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)檢測(cè)光纖單元的零位信評(píng)纖頭移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的星像坐標(biāo)位置.號(hào)并傳送到單元控制器.述通過(guò)對(duì)光纖定位控制系統(tǒng)的需求分析系統(tǒng)的(5 )步進(jìn)電機(jī):驅(qū)動(dòng)單元頭機(jī)械結(jié)構(gòu).總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)(如圖6所示)采用分布式控制2.4焦面板模式一集中管理分散控制.采用這種模式的最大定位單元是鋁合金材料制作焦面板材料類(lèi)型好處是使得必須由自己研制的設(shè)備如單元控制器等應(yīng)與定位單元- -致亦即應(yīng)采用與單元相同的鋁合相對(duì)簡(jiǎn)單,而復(fù)雜程度較高的通訊網(wǎng)絡(luò)則由成熟的金材料.選用整鋁板打孔的結(jié)構(gòu)形式.商用產(chǎn)品和專(zhuān)用器件保證,這樣不僅可以降低研制焦面板的支撐采用四點(diǎn)支撐的方式.焦面板.上難度而且系統(tǒng)的總體可靠性也比較容易得到保證.加工四個(gè)凸臺(tái)焦面板的支點(diǎn)與桁架連結(jié).桁架通過(guò)螺釘連接到調(diào)焦機(jī)構(gòu)的端面上另一端支撐焦面板并將旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)傳遞給焦面板.桁架由四個(gè)人字形結(jié)構(gòu)、八根鋼管構(gòu)成,通過(guò)四個(gè)觀(guān)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處制系統(tǒng)儀器控制理系統(tǒng)0120 mm的法蘭盤(pán)與焦面板螺栓連接螺栓孔與螺栓之間留有空隙在連接時(shí)必須仔細(xì)調(diào)整焦面板的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)滿(mǎn)足要求后再配打八個(gè)圓錐光纖定觀(guān)測(cè)天體寫(xiě)銷(xiāo)定位.位控制對(duì)應(yīng)光纖記錄2.5測(cè)量 系統(tǒng)「單元位對(duì)焦面上4 000個(gè)單元的定位精度進(jìn)行檢測(cè)需置記錄.要定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置.采用而陣CCD攝像測(cè)量方法每次對(duì)中國(guó)煤化工用圖像拼接的[單元控制機(jī)1單元控制機(jī)200方法實(shí)現(xiàn)4YHCN M H G統(tǒng)采用4 096x4 096像元的面陣CCD攝像機(jī)測(cè)量精度達(dá)到13 μum單元1 ][單元20 ](2σ)滿(mǎn)足焦面上定位單元調(diào)試的需要.對(duì)光纖焦面位置的檢測(cè)要求保證光纖端部位圖6光纖定位控制 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)R.CDisign of optical fber psioning control system置滿(mǎn)足定位精度( +0. 04 mm )的要求.600中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)第37卷光纖端部焦面位置的檢測(cè)由面陣CCD攝像機(jī)另外一個(gè)待改進(jìn)的問(wèn)題是440000根電纜實(shí)在承擔(dān).是太多太重電控課題組正在研究擬將其改為無(wú)線(xiàn)控制這樣便可以大幅減少電纜數(shù).此項(xiàng)工作已取得3待解決的問(wèn)題- 定進(jìn)展已通過(guò)原理實(shí)驗(yàn).在解決了上述諸多技術(shù)難點(diǎn)之后光纖定位的LAMOST光纖定位系統(tǒng)是- -個(gè)集光學(xué)、機(jī)械、精位置測(cè)量就成了保障光纖定位系統(tǒng)工作的最關(guān)鍵問(wèn)密測(cè)量、電控和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的綜合性工程項(xiàng)目.我們題.眾所周知要確認(rèn)光纖端部的定位誤差小于40雖然已解決了很多難題但后續(xù)問(wèn)題尚有待進(jìn)- - 步μm則測(cè)量?jī)x器本身的誤差要小于4 μm( 1/10).若解決.達(dá)不到則至少測(cè)量誤差要小于13 μm( 1/3 ) ,否則參考文獻(xiàn)( References )無(wú)法認(rèn)定測(cè)得的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求.因?yàn)橐饻y(cè)量誤差的因素太多這一.問(wèn)題至今未能解決.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),[ 1 ] WANG Shou-guan ,su Ding-qiang ,CHU Yao-quan ,et al.可以用減小測(cè)量范圍的方法(將CCD相機(jī)靠近焦Special configuration of a very large Schmidt telescope forextensive astronomical spectroscopic observation [ J ]面只測(cè)量0400 mm的范圍)來(lái)提高精度但在望遠(yuǎn)Applied Optics ,1996 ,35( 25)5 155-5 161.鏡上要測(cè)量01.75m的范圍則顯得力不從心我們[2] XING Xiao-zheng， HU Hong-zhuan , DU Hua-sheng, et的研究結(jié)果表明正如胡景耀教授所指出是光纖出al. A contrllable optical fiber positioning system for持光端部影響了光纖位置測(cè)量精度(即光纖端部光斑LAMOST[ J ] Journal of University of Science an約的像并不嚴(yán)格代表光纖端部的幾何位置).實(shí)驗(yàn)證Technology of China ,1997 ,27( 4 ) :492 495.評(píng)明用CCD照相法在物距小于2m的情況下測(cè)量光邢曉正,胡紅專(zhuān),杜華生等.用于LAMOST的并行可術(shù)纖端部位置,將有10 ~30 μm的測(cè)量誤差;如將控式光纖定位系統(tǒng)[J]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1997 27( 4):492 495.CCD相機(jī)移到20 m遠(yuǎn)測(cè)量范圍擴(kuò)大到01.8m則[3 ] HU Hong-zhuan , XING Xiao-zheng , ZHAI Chao,et al.此測(cè)量系統(tǒng)很難滿(mǎn)足評(píng)價(jià)光纖定位誤差的要求.這New type optical fiber positioning unit device for LAMOST樣我們將面臨的- -個(gè)難題是光纖到底走到位了沒(méi)[ C ]/ Proceedings of SPIE. Hawaii, 2003，4837 :有?光纖定位系統(tǒng)的定位誤差指標(biāo)如何驗(yàn)收?換言548-555.之如果有一套精度適用的測(cè)量系統(tǒng)(據(jù)我們最新[4]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)焦面光纖定位裝置研制組.并行可控的研究結(jié)果這是可能實(shí)現(xiàn)的)則此光纖定位系統(tǒng)式光纖定位系統(tǒng)實(shí)施方案[ R]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2004.將成為一套完美的閉環(huán)系統(tǒng),足以修正由各種因素引起的誤差.中國(guó)煤化工MHCNMH G