多光纤密集排列精密定位方法研究

　　1　引　　言

　　国家大科学项目LAMOST天文望远镜是一架中星仪式大视场大口径反射施密特望远镜。它主要用于大天区面积多目标光纤光谱的观测工作。望远镜接收焦面直径为1.75m,要求每次观测前将4000根光纤接收端精密对准各自观测的星光焦点并定位于接收焦面上,可以同时对4000个星像目标进行光谱观测。4000根光纤的精密定位问题是LAMOST项目中的主要难题之一,而光纤定位的主要难点是,多点密集排列小空间两维精密定位问题。

　　2　光纤定位主要指标

　　(1)焦面直径Φ=1750mm,焦距=20m;(2)光纤根数: 4000根; (3)光纤定位精度:±0.04mm; (4)光纤焦深方向定位精度:±0.2mm;(5)光纤对焦面的不垂直度:±1°;(6)导星光纤定位精度:±0.005mm;(7)4000光纤定位一次时间:≤0.5小时。

　　3　光纤定位方法分析

　　3.1　光纤定位方法分类

　　目前国内、外的光纤定位方法可分为随意排列式和分区定位式二大类。在随意排列式方法中,可分为大板打孔、钓鱼杆式和磁扣焦面排布式三种方法,在分区定位式方法中,可分为独立单元驱动式和独立单元并行驱动式两种方法。

　　3.2　光纤定位方法性能分析

　　随意式光纤定位方法是最早使用的至今仍保留使用的星光光谱观测中的光纤定位方法。这类方法的最大优点是可随意排布光纤。大板打孔方法,其随意排布光纤性最强,可实现较密集的光纤排布(两光纤最小排布间距,决定于光纤插拔结构直径),这种方法的主要缺点是,每次观测需要加工一块光纤定位板,在观测过程中无法对大气折射产生的误差进行校正。用机械手排布磁扣焦面定位和钓鱼杆式光纤定位方法不需要每次加工定位板,但由于从磁扣引出的光纤占据焦面位置,影响其他磁扣的密集排布和多光纤定位,也无法对大气折射产生的误差进行实时校正。上述的三种光纤定位方法对于视场小、光纤数目少的天文光谱观测还是适用的,但对于LAMOST天文望远镜就很难搬用这种方法。首先,LAMOST天文望远镜视场较大,焦面边缘区域大气折射产生的光线横向最大偏移量达到0.4mm,这已超过光纤直径,观测过程中如不进行校正已无法接收星光信号。LAMOST同时要观测的星像数目多达4000个,采用大板打孔方法则观测准备费时、运转费用太高,采用磁扣焦面排布定位方法和钓鱼杆式方法,不可能在φ1750mm直径的圆内排布4000根光纤。基于这种情况,根据LAMOST望远镜的需要,我们提出了分区式独立单元并行驱动光纤定位方法。

　　4　分区式独立单元并行驱动光纤定位方法

　　本方法将4000根光纤均匀地分布到Φ1750mm的接收焦面上。这样,每根光纤接收星光的单元区域面积平均为24.53mm×24.53mm。采用摆杆机构摆动每根光纤的接收端(如图一所示),利用摆杆的位移放大原理,实现无盲区甚至超区域星光接收。