第37卷第6期中國科學技術大學學報Vol.37 ,No.62007年6月JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINAJun.2007文章編號0253-2778( 2007 )06-0596-05LAMOST光纖定位技術邢曉正,胡紅專,褚家如(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系安徽合肥230027)摘要:對于在建的大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡( 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.速定位實現同時觀測4000個天體目標是其兩大關鍵技術問題之一.本文介紹了由中國科學技術大學提出的分區(qū)并行可控光纖定位技術的總體設計思想,以及在研制過程中解決的技術問題討論了亟待解決的光纖定位的位置測量問題。安裝后的LAMOST焦面光纖定位小系統(tǒng)在興隆現場已完成了與其他系統(tǒng)的聯調成功地批量獲得了天體光譜.持關鍵詞天文望遠鏡大天區(qū)面積多目標;光纖光譜光纖定位焦面中圖分類號:P11文獻標識碼: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是一臺橫臥于南北方向的中星儀式反.0引言射施密特望遠鏡,由在北端的反射施密特改正板為了大幅提升我國在大規(guī)模光學光譜觀測和大(MA)在南端的球面主鏡(MB)和在中間的焦面視場天文學研究方面的水平國家于1996年將大天機構構成 有效?徑為中國煤化工設計可觀測最弱星等區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡( LAMOST )工程為20.5等.的球冠形焦面項目列為國家重大科學工程總造價2.35億元人民THCNMHG板范圍內放置，UwJm兒_i Du叭'響將接收到的萬肯*烽艷日期2007-04-28修回日期206-11著簡介邢曉正通訊作者).1943年生男教授. E-mail : x@ uste. edu.cn第6期LAMOST光纖定位技術5974000個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;光轉換成光譜數據并記錄下來.目前,世界上的(8 )4 000根定位光纖在運動時相互之間不能光纖光譜望遠鏡中,放置光纖最多的是美國的有干涉(相互碰撞)等.SDSS望遠鏡,它能放置660根光纖可同時接收國外現有的光纖定位方法有磁扣法和孔板法兩約600個天體的光并轉換成光譜.因此,當種.磁扣法是將光路通過小棱鏡轉90°進人光纖人LAMOST建成時,它便成為世界上看得最深遠射端在棱鏡下方放置一塊小磁石通過機器人將其的、可同時觀測天體最多的光纖光譜天文望遠吸附在鐵基焦面基板.上光纖則躺在焦面基板上將鏡. LAMOST外觀如圖1所示.人射光引到光譜儀中.歐洲及澳洲的望遠鏡用此方法最多能同時放置約400根光纖.這種方法之所以很難用于LAMOST一-是因為4000根光纖在焦面板上排布不下二是因為光纖勢必要延伸到焦面板之外遮擋光線.美國SDSS望遠鏡采用的是孔板法.它采取在一塊直徑約500 mm的鋁板上按預先設定的坐標打孔的方式其坐標是根據要觀測的天區(qū)天體坐標(已知)換算到焦面板上而定的.在觀測前由人工把660根光纖插好然后開始觀測.對于焦面直徑特為1.750m、其上有4000根光纖、按設計要求---個晚圖1 LAMOST 示意圖上要觀測5 ~6個天區(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1技術目標和實現方案板上的孔要事先加工好顯然在工程上難以實現.述為了解決使4000根光纖能夠同時對準觀測目在這樣一個創(chuàng)造了多個世界第一的望遠鏡中，標的光纖定位問題課題組提出了分區(qū)并行可控的有兩大關鍵技術:-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內外天文學家動光學"技術由南京天文光學儀器研究所完成二的一致好評這也將成為下一代大視場多目標光纖是由中國科學技術大學承擔的4000根光纖的光纖光譜技術中的發(fā)展方向.在方案的工程實現過程中,定位”技術. .我們用了10年的時間解決了機械設計與工藝、控制光纖光譜望遠鏡在觀測不同的天區(qū)時,天體的與 驅動、光纖位置的精密測量等方面的一一個又一個像(光斑)落在焦面的不同位置上為了盡可能多地技術難點.接收到天體的光能量除了要求望遠鏡的光學系統(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確地對準天體的像,亦即在望遠鏡的2.1主要設計思想01.75m的焦面范圍內要求每一-根光纖的端部分區(qū)并行可控式光纖定位系統(tǒng)由基板(焦面滿足:板)4000個光纖定位單元、控制驅動系統(tǒng)、測量標(1)定位誤差小于40μm;定系統(tǒng)四部分組成,如圖2所示.其主要設計思想.( 2 )每次改變觀測天區(qū)時4 000根光纖的重新是將直徑1.75m的焦面分成約4000個033mm定位時間小于10 min ;的、相互重疊無盲區(qū)的小圓.每個小圓內均放置-一個(3)因為焦面系統(tǒng)處于望遠鏡的光軸上,因此有兩個回轉自由度的光纖定位單元每個單元上放要求在光纖的入射光方向上不得有任何遮擋;置一根光纖中國煤化工心孔穿過焦面(4 )焦面的周圍不得有任何機構以免擋光;板然后進入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.雙回轉光纖定位單元包括-一 個中心回轉軸位置,因而光纖的人射端部必須能在焦面的任何位和一個偏心回轉軸兩軸組合運動可實現觀測范圍內置實現快速精確定位我們稱之為無盲區(qū);任意位置的定位如圖4所示其技術指標如下:萬方數鋦在定位過程中光纖的指向必須保持不變;598中國科學技術大學學報第37卷測量標定系統(tǒng)光纖定位單元(4096x4 096CCD相機)+90°D望遠鏡焦面焦面機構-909-180° | i +186°焦面板光纖束.驅動電纜-圖像采集卡師光譜儀控制主機驅動機柜圖2分區(qū) 并行可控式光纖定位系統(tǒng)圖4雙回轉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二維焦面坐標定位精度:<40 μm;持離焦量:<0.1 mm ;約對心度誤差:<0.5° ;評定位時間:<10 min ;術25.6.150工作溫度:-25° ~35%(正常工作),-40° ~50° .(不被破壞);機構重量:<2 000 kg.[0332.2光纖定位單元我們采用的雙回轉光纖定位單元由繞單元中心0° ~360的中心回轉機構及繞二分之-半徑處0° ~180°的偏心回轉機構組成如圖5所示.這種雙回轉定位原理的單元結構簡單在定位過程中光纖- -方圖3焦面分 區(qū)示意圖面隨偏心支架作中心回轉運動另- -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中心軸滾動軸承中心空心軸中心軸鎖緊螺母中心軸內齒輪光纖中國煤化工MHCNMH G中心軸步進電機中心電機軸齒輪]圖5雙回轉光纖定位單元傳動示意圖Fig. 5 Transmission of double revolving fiber positioning unit第6期LAMOST光纖定位技術599支架上繞偏心回轉軸作偏心回轉運動運動過程中光纖定位控制主機先從OCS接收指令和待觀的光纖接收端面相對于望遠鏡光軸不產生偏斜,且測星象的坐標通過坐標轉換、觀測規(guī)劃處理以及干始終在望遠鏡焦面上運動不會離焦.涉處理并計算出分配到單元的星象相對于單元點光纖繞偏心回轉軸的回轉半徑等于中心軸與偏的坐標然后將數據傳送到相應的單元控制器由單心軸的距離為8. 25 mm.當偏心回轉軸轉到+ 180°元控制器完成定位工作.同時將觀測天體對應的光時光纖轉到033mm的定位圓周上;偏心回轉軸轉纖編號傳遞到望遠鏡數據處理系統(tǒng).到0°時光纖頭正好回轉到定位圓心.這樣通過空從圖6中可見控制系統(tǒng)分以下幾個部分:心軸0°~360°的回轉和偏心回轉軸0°~180°的回(1)控制計算機:其任務是從OCS接收指令、轉我們即可在033mm整個定位圓區(qū)域的任意位星象坐標、進行坐標轉換計算和干涉計算顯示并向置對光纖進行精確定位且沒有定位盲區(qū)光纖固定OCS報告各種狀態(tài)及報警信息.在偏心回轉軸上光纖架的安裝孔中(孔軸線平行于(2)通訊在控制計算機和單元控制器之間傳空心軸線)并經空心軸內孔引出穿過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:其任務是把控制計算機的控運動精度和可靠性我們在單元上設計了機械電零制信息轉換成電機的控制信號傳遞給驅動器.單元位裝置作為單元運動的基準起點控制器有零位信號處理功能以及相位記憶功能,保2.3光纖定位控制系統(tǒng)證電機再啟動是從停止狀態(tài)的相位啟動以減小定位特LAMOST光纖定位系統(tǒng)共有約4000個單元每誤差.個單元由兩個步進電機驅動在直徑33mm的圓周(4)驅動器對單元控制器輸出的信號進行功約內移動根據0CS(觀測控制系統(tǒng))提供的星表將光率放大直接驅動電機同時檢測光纖單元的零位信評纖頭移動到對應的星像坐標位置.號并傳送到單元控制器.述通過對光纖定位控制系統(tǒng)的需求分析系統(tǒng)的(5 )步進電機:驅動單元頭機械結構.總體設計控制系統(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型好處是使得必須由自己研制的設備如單元控制器等應與定位單元- -致亦即應采用與單元相同的鋁合相對簡單,而復雜程度較高的通訊網絡則由成熟的金材料.選用整鋁板打孔的結構形式.商用產品和專用器件保證,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.加工四個凸臺焦面板的支點與桁架連結.桁架通過螺釘連接到調焦機構的端面上另一端支撐焦面板并將旋轉軸的運動傳遞給焦面板.桁架由四個人字形結構、八根鋼管構成,通過四個觀測控數據處制系統(tǒng)儀器控制理系統(tǒng)0120 mm的法蘭盤與焦面板螺栓連接螺栓孔與螺栓之間留有空隙在連接時必須仔細調整焦面板的徑向跳動和端面跳動滿足要求后再配打八個圓錐光纖定觀測天體寫銷定位.位控制對應光纖記錄2.5測量 系統(tǒng)「單元位對焦面上4 000個單元的定位精度進行檢測需置記錄.要定位系統(tǒng)現場檢測裝置.采用而陣CCD攝像測量方法每次對中國煤化工用圖像拼接的[單元控制機1單元控制機200方法實現4YHCN M H G統(tǒng)采用4 096x4 096像元的面陣CCD攝像機測量精度達到13 μum單元1 ][單元20 ](2σ)滿足焦面上定位單元調試的需要.對光纖焦面位置的檢測要求保證光纖端部位圖6光纖定位控制 系統(tǒng)總體設計R.CDisign of optical fber psioning control system置滿足定位精度( +0. 04 mm )的要求.600中國科學技術大學學報第37卷光纖端部焦面位置的檢測由面陣CCD攝像機另外一個待改進的問題是440000根電纜實在承擔.是太多太重電控課題組正在研究擬將其改為無線控制這樣便可以大幅減少電纜數.此項工作已取得3待解決的問題- 定進展已通過原理實驗.在解決了上述諸多技術難點之后光纖定位的LAMOST光纖定位系統(tǒng)是- -個集光學、機械、精位置測量就成了保障光纖定位系統(tǒng)工作的最關鍵問密測量、電控和計算機應用的綜合性工程項目.我們題.眾所周知要確認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)問題尚有待進- - 步μm則測量儀器本身的誤差要小于4 μm( 1/10).若解決.達不到則至少測量誤差要小于13 μm( 1/3 ) ,否則參考文獻( References )無法認定測得的數據滿足要求.因為引起測量誤差的因素太多這一.問題至今未能解決.在實驗室內,[ 1 ] WANG Shou-guan ,su Ding-qiang ,CHU Yao-quan ,et al.可以用減小測量范圍的方法(將CCD相機靠近焦Special configuration of a very large Schmidt telescope forextensive astronomical spectroscopic observation [ J ]面只測量0400 mm的范圍)來提高精度但在望遠Applied Optics ,1996 ,35( 25)5 155-5 161.鏡上要測量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量精度(即光纖端部光斑LAMOST[ J ] Journal of University of Science an約的像并不嚴格代表光纖端部的幾何位置).實驗證Technology of China ,1997 ,27( 4 ) :492 495.評明用CCD照相法在物距小于2m的情況下測量光邢曉正,胡紅專,杜華生等.用于LAMOST的并行可術纖端部位置,將有10 ~30 μm的測量誤差;如將控式光纖定位系統(tǒng)[J]中國科學技術大學學報,1997 27( 4):492 495.CCD相機移到20 m遠測量范圍擴大到01.8m則[3 ] HU Hong-zhuan , XING Xiao-zheng , ZHAI Chao,et al.此測量系統(tǒng)很難滿足評價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- -個難題是光纖到底走到位了沒[ C ]/ Proceedings of SPIE. Hawaii, 2003，4837 :有?光纖定位系統(tǒng)的定位誤差指標如何驗收?換言548-555.之如果有一套精度適用的測量系統(tǒng)(據我們最新[4]中國科學技術大學焦面光纖定位裝置研制組.并行可控的研究結果這是可能實現的)則此光纖定位系統(tǒng)式光纖定位系統(tǒng)實施方案[ R]中國科學技術大學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.中國煤化工MHCNMH G