LAMOST光纤定位技术

第37卷第6期中国科学技术大学学报Vol.37 ,No.62007年6月JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINAJun.2007文章编号0253-2778( 2007 )06-0596-05LAMOST光纤定位技术邢晓正,胡红专,褚家如(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系安徽合肥230027)摘要:对于在建的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜( large sky area multi-object fiberspectroscopy telescope , LAMOST )而言,如何在直径为1.75 m的球冠形焦面板上将4 000根光纤快.速定位实现同时观测4000个天体目标是其两大关键技术问题之一.本文介绍了由中国科学技术大学提出的分区并行可控光纤定位技术的总体设计思想,以及在研制过程中解决的技术问题讨论了亟待解决的光纤定位的位置测量问题。安装后的LAMOST焦面光纤定位小系统在兴隆现场已完成了与其他系统的联调成功地批量获得了天体光谱.持关键词天文望远镜大天区面积多目标;光纤光谱光纤定位焦面中图分类号:P11文献标识码:A约平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币LAMOST是一台横卧于南北方向的中星仪式反.0引言射施密特望远镜,由在北端的反射施密特改正板为了大幅提升我国在大规模光学光谱观测和大(MA)在南端的球面主镜(MB)和在中间的焦面视场天文学研究方面的水平国家于1996年将大天机构构成 有效?径为中国煤化工设计可观测最弱星等区面积多目标光纤光谱天文望远镜( LAMOST )工程为20.5等.的球冠形焦面项目列为国家重大科学工程总造价2.35亿元人民THCNMHG板范围内放置，UwJm儿_i Du叭'响将接收到的万肯*烽艳日期2007-04-28修回日期206-11著简介邢晓正通讯作者).1943年生男教授. E-mail : x@ uste. edu.cn第6期LAMOST光纤定位技术5974000个天体的光传到光谱仪中光纤另一端再把(7)光纤端面不能离焦;光转换成光谱数据并记录下来.目前,世界上的(8 )4 000根定位光纤在运动时相互之间不能光纤光谱望远镜中,放置光纤最多的是美国的有干涉(相互碰撞)等.SDSS望远镜,它能放置660根光纤可同时接收国外现有的光纤定位方法有磁扣法和孔板法两约600个天体的光并转换成光谱.因此,当种.磁扣法是将光路通过小棱镜转90°进人光纤人LAMOST建成时,它便成为世界上看得最深远射端在棱镜下方放置一块小磁石通过机器人将其的、可同时观测天体最多的光纤光谱天文望远吸附在铁基焦面基板.上光纤则躺在焦面基板上将镜. LAMOST外观如图1所示.人射光引到光谱仪中.欧洲及澳洲的望远镜用此方法最多能同时放置约400根光纤.这种方法之所以很难用于LAMOST一-是因为4000根光纤在焦面板上排布不下二是因为光纤势必要延伸到焦面板之外遮挡光线.美国SDSS望远镜采用的是孔板法.它采取在一块直径约500 mm的铝板上按预先设定的坐标打孔的方式其坐标是根据要观测的天区天体坐标(已知)换算到焦面板上而定的.在观测前由人工把660根光纤插好然后开始观测.对于焦面直径特为1.750m、其上有4000根光纤、按设计要求---个晚图1 LAMOST 示意图上要观测5 ~6个天区的LAMOST这就意味着- -晚约Fig. 1 Sketch map of LAMOST上要插拔4000根光纤5~6次,而且这5~6块焦面评1技术目标和实现方案板上的孔要事先加工好显然在工程上难以实现.述为了解决使4000根光纤能够同时对准观测目在这样一个创造了多个世界第一的望远镜中，标的光纤定位问题课题组提出了分区并行可控的有两大关键技术:-是薄反射镜片形状控制的主光纤定位方案.此方案的提出得到国内外天文学家动光学"技术由南京天文光学仪器研究所完成二的一致好评这也将成为下一代大视场多目标光纤是由中国科学技术大学承担的4000根光纤的光纤光谱技术中的发展方向.在方案的工程实现过程中,定位”技术. .我们用了10年的时间解决了机械设计与工艺、控制光纤光谱望远镜在观测不同的天区时,天体的与 驱动、光纤位置的精密测量等方面的一一个又一个像(光斑)落在焦面的不同位置上为了尽可能多地技术难点.接收到天体的光能量除了要求望远镜的光学系统2分区并行可控式光纤定位系统具有好的性能外还必须让焦面上的每--根光纤的人射端都准确地对准天体的像,亦即在望远镜的2.1主要设计思想01.75m的焦面范围内要求每一-根光纤的端部分区并行可控式光纤定位系统由基板(焦面满足:板)4000个光纤定位单元、控制驱动系统、测量标(1)定位误差小于40μm;定系统四部分组成,如图2所示.其主要设计思想.( 2 )每次改变观测天区时4 000根光纤的重新是将直径1.75m的焦面分成约4000个033mm定位时间小于10 min ;的、相互重叠无盲区的小圆.每个小圆内均放置-一个(3)因为焦面系统处于望远镜的光轴上,因此有两个回转自由度的光纤定位单元每个单元上放要求在光纤的入射光方向上不得有任何遮挡;置一根光纤中国煤化工心孔穿过焦面(4 )焦面的周围不得有任何机构以免挡光;板然后进入YHCNMHGj25.6mm如(5)由于天体像的光斑可能落在焦面上的任何图3所示.双回转光纤定位单元包括-一 个中心回转轴位置,因而光纤的人射端部必须能在焦面的任何位和一个偏心回转轴两轴组合运动可实现观测范围内置实现快速精确定位我们称之为无盲区;任意位置的定位如图4所示其技术指标如下:万方数锔在定位过程中光纤的指向必须保持不变;598中国科学技术大学学报第37卷测量标定系统光纤定位单元(4096x4 096CCD相机)+90°D望远镜焦面焦面机构-909-180° | i +186°焦面板光纤束.驱动电缆-图像采集卡师光谱仪控制主机驱动机柜图2分区 并行可控式光纤定位系统图4双回转光纤定位单元原理图Fig. 2 Distributed parallel controllableFig.4 Principle of double revolving optical fiber positioning unitoptical fiber positioning system二维焦面坐标定位精度:<40 μm;持离焦量:<0.1 mm ;约对心度误差:<0.5° ;评定位时间:<10 min ;术25.6.150工作温度:-25° ~35%(正常工作),-40° ~50° .(不被破坏);机构重量:<2 000 kg.[0332.2光纤定位单元我们采用的双回转光纤定位单元由绕单元中心0° ~360的中心回转机构及绕二分之-半径处0° ~180°的偏心回转机构组成如图5所示.这种双回转定位原理的单元结构简单在定位过程中光纤- -方图3焦面分 区示意图面随偏心支架作中心回转运动另- -方面又在偏心Fig. 3 Distributed focal plane片簧光纤光纤架偏心支架偏心轴齿轮可团中心轴滚动轴承中心空心轴中心轴锁紧螺母中心轴内齿轮光纤中国煤化工MHCNMH G中心轴步进电机中心电机轴齿轮]图5双回转光纤定位单元传动示意图Fig. 5 Transmission of double revolving fiber positioning unit第6期LAMOST光纤定位技术599支架上绕偏心回转轴作偏心回转运动运动过程中光纤定位控制主机先从OCS接收指令和待观的光纤接收端面相对于望远镜光轴不产生偏斜,且测星象的坐标通过坐标转换、观测规划处理以及干始终在望远镜焦面上运动不会离焦.涉处理并计算出分配到单元的星象相对于单元点光纤绕偏心回转轴的回转半径等于中心轴与偏的坐标然后将数据传送到相应的单元控制器由单心轴的距离为8. 25 mm.当偏心回转轴转到+ 180°元控制器完成定位工作.同时将观测天体对应的光时光纤转到033mm的定位圆周上;偏心回转轴转纤编号传递到望远镜数据处理系统.到0°时光纤头正好回转到定位圆心.这样通过空从图6中可见控制系统分以下几个部分:心轴0°~360°的回转和偏心回转轴0°~180°的回(1)控制计算机:其任务是从OCS接收指令、转我们即可在033mm整个定位圆区域的任意位星象坐标、进行坐标转换计算和干涉计算显示并向置对光纤进行精确定位且没有定位盲区光纤固定OCS报告各种状态及报警信息.在偏心回转轴上光纤架的安装孔中(孔轴线平行于(2)通讯在控制计算机和单元控制器之间传空心轴线)并经空心轴内孔引出穿过焦面板后连送控制及状态信息.到光谱仪上.为减少累积误差提高光纤定位单元的(3)单元控制器:其任务是把控制计算机的控运动精度和可靠性我们在单元上设计了机械电零制信息转换成电机的控制信号传递给驱动器.单元位装置作为单元运动的基准起点控制器有零位信号处理功能以及相位记忆功能,保2.3光纤定位控制系统证电机再启动是从停止状态的相位启动以减小定位特LAMOST光纤定位系统共有约4000个单元每误差.个单元由两个步进电机驱动在直径33mm的圆周(4)驱动器对单元控制器输出的信号进行功约内移动根据0CS(观测控制系统)提供的星表将光率放大直接驱动电机同时检测光纤单元的零位信评纤头移动到对应的星像坐标位置.号并传送到单元控制器.述通过对光纤定位控制系统的需求分析系统的(5 )步进电机:驱动单元头机械结构.总体设计控制系统(如图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.采用这种模式的最大定位单元是铝合金材料制作焦面板材料类型好处是使得必须由自己研制的设备如单元控制器等应与定位单元- -致亦即应采用与单元相同的铝合相对简单,而复杂程度较高的通讯网络则由成熟的金材料.选用整铝板打孔的结构形式.商用产品和专用器件保证,这样不仅可以降低研制焦面板的支撑采用四点支撑的方式.焦面板.上难度而且系统的总体可靠性也比较容易得到保证.加工四个凸台焦面板的支点与桁架连结.桁架通过螺钉连接到调焦机构的端面上另一端支撑焦面板并将旋转轴的运动传递给焦面板.桁架由四个人字形结构、八根钢管构成,通过四个观测控数据处制系统仪器控制理系统0120 mm的法兰盘与焦面板螺栓连接螺栓孔与螺栓之间留有空隙在连接时必须仔细调整焦面板的径向跳动和端面跳动满足要求后再配打八个圆锥光纤定观测天体写销定位.位控制对应光纤记录2.5测量 系统「单元位对焦面上4 000个单元的定位精度进行检测需置记录.要定位系统现场检测装置.采用而阵CCD摄像测量方法每次对中国煤化工用图像拼接的[单元控制机1单元控制机200方法实现4YHCN M H G统采用4 096x4 096像元的面阵CCD摄像机测量精度达到13 μum单元1 ][单元20 ](2σ)满足焦面上定位单元调试的需要.对光纤焦面位置的检测要求保证光纤端部位图6光纤定位控制 系统总体设计R.CDisign of optical fber psioning control system置满足定位精度( +0. 04 mm )的要求.600中国科学技术大学学报第37卷光纤端部焦面位置的检测由面阵CCD摄像机另外一个待改进的问题是440000根电缆实在承担.是太多太重电控课题组正在研究拟将其改为无线控制这样便可以大幅减少电缆数.此项工作已取得3待解决的问题- 定进展已通过原理实验.在解决了上述诸多技术难点之后光纤定位的LAMOST光纤定位系统是- -个集光学、机械、精位置测量就成了保障光纤定位系统工作的最关键问密测量、电控和计算机应用的综合性工程项目.我们题.众所周知要确认光纤端部的定位误差小于40虽然已解决了很多难题但后续问题尚有待进- - 步μm则测量仪器本身的误差要小于4 μm( 1/10).若解决.达不到则至少测量误差要小于13 μm( 1/3 ) ,否则参考文献( References )无法认定测得的数据满足要求.因为引起测量误差的因素太多这一.问题至今未能解决.在实验室内,[ 1 ] WANG Shou-guan ,su Ding-qiang ,CHU Yao-quan ,et al.可以用减小测量范围的方法(将CCD相机靠近焦Special configuration of a very large Schmidt telescope forextensive astronomical spectroscopic observation [ J ]面只测量0400 mm的范围)来提高精度但在望远Applied Optics ,1996 ,35( 25)5 155-5 161.镜上要测量01.75m的范围则显得力不从心我们[2] XING Xiao-zheng， HU Hong-zhuan , DU Hua-sheng, et的研究结果表明正如胡景耀教授所指出是光纤出al. A contrllable optical fiber positioning system for持光端部影响了光纤位置测量精度(即光纤端部光斑LAMOST[ J ] Journal of University of Science an约的像并不严格代表光纤端部的几何位置).实验证Technology of China ,1997 ,27( 4 ) :492 495.评明用CCD照相法在物距小于2m的情况下测量光邢晓正,胡红专,杜华生等.用于LAMOST的并行可术纤端部位置,将有10 ~30 μm的测量误差;如将控式光纤定位系统[J]中国科学技术大学学报,1997 27( 4):492 495.CCD相机移到20 m远测量范围扩大到01.8m则[3 ] HU Hong-zhuan , XING Xiao-zheng , ZHAI Chao,et al.此测量系统很难满足评价光纤定位误差的要求.这New type optical fiber positioning unit device for LAMOST样我们将面临的- -个难题是光纤到底走到位了没[ C ]/ Proceedings of SPIE. Hawaii, 2003，4837 :有?光纤定位系统的定位误差指标如何验收?换言548-555.之如果有一套精度适用的测量系统(据我们最新[4]中国科学技术大学焦面光纤定位装置研制组.并行可控的研究结果这是可能实现的)则此光纤定位系统式光纤定位系统实施方案[ R]中国科学技术大学2004.将成为一套完美的闭环系统,足以修正由各种因素引起的误差.中国煤化工MHCNMH G