CN113589542A - 一种快速调节lamost-lrs光纤出射端姿态的方法 - Google Patents

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张晓杰
魏炜
徐腾
姜海娇
陆启帅
许明明
王跃飞
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Abstract

本发明公开了一种快速调节LAMOST‑LRS光纤出射端姿态的方法，先对LAMOST‑LRS光学系统进行光学元件及设备的安装；再通过对反射回的激光器斑点情况进行光纤出射端姿态的调节：通过观察光斑偏离光屏中心情况，调节光纤卡子姿态使得光斑均位于光屏中心，以消除系统的偏心误差；通过观察光斑的能量集中度情况，调整光纤卡子位置使光斑最小能量集中度最高，以消除系统的离焦。本发明简化了光纤卡子出射端姿态的调节过程，减少了因人为因素造成的调节误差，通过使用电脑连接10倍CCD显微镜实时测量光斑即提高了调节精度，也提高了调节速度，使高精度光学系统装调与日常维护更为方便。

Description

一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法
技术领域
本发明属于光学装调技术领域，具体涉及一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法。
背景技术
LAMOST是一台兼备大口径和大视场的多目标光纤光谱望远镜，为了充分获取大量天体的光谱信息，LAMOST配置16台多目标低色散光纤光谱仪，每台光谱仪器安插250根光纤，焦面接收光线经由光纤传导进入光谱仪。光纤排列在144mm高的狭缝上，由10个光纤卡子固定，狭缝为圆弧，曲率半径691mm。准直镜焦比为F/4，对于狭缝采用Schmidt系统，其像差由Schmidt改正板改正。准直光路中放置分色镜，将整个波段分为红区、蓝区。采用VPH光栅，照相机为Schmidt系统。
LAMOST的科学目标对终端仪器的成像质量提出了严格的要求。光学系统的设计基础是在一条对称轴线(光轴)，即光学系统中起作用的透镜表面曲率中心都应该在这条理想的轴线上。但在加工过程与装调条件的限制下，会产生偏心误差与离焦，破坏了光学系统的共轴性，导致系统产生慧差、像散、畸变，降低了成像质量。所以校正光纤出射端姿态，解决中心偏差与离焦成为了高精度光学系统装调与日常维护的关键环节。
发明内容
针对现有技术中存在的光学元件加工过程中产生的偏心误差与离焦现象，本发明提供一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，利用电脑连接显微镜进行实时测量，在系统中搭建自准直光路，通过观察光斑偏离光屏中心情况来进行光纤卡子姿态的调节；通过观察反射回的光斑的大小来进行光纤卡子焦距的调节；通过二者的调节即可完成光纤出射端姿态的快速调节。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，包括以下步骤：
(1)先对LAMOST-LRS光学系统进行光学元件及设备的安装：
(1-1)在光路中放置平面反射镜，平面反射镜位于准直镜改正镜前方且与准直镜改正镜保持平行，使从准直镜改正镜经过的光线在被平面反射镜反射后可以原路返回；
(1-2)将激光器由激光器夹持架固定，对准焦面板；激光由焦面板待校准光谱仪中心光纤入射；在平面反射镜前平行安装光屏；
(2)再通过对反射回的激光器斑点情况进行光纤出射端姿态的调节：
(2-1)观察光斑偏离光屏中心情况，调节光纤卡子姿态使得光斑均位于光屏中心，以消除系统的偏心误差；
(2-2)撤去光屏，观察光斑的能量集中度情况，调整光纤卡子位置使光斑最小能量集中度最高，以消除系统的离焦。
优选地，步骤(2-1)所述调节光纤卡子姿态的过程如下：实时测量激光器光斑在光屏处偏离中心情况，调整光纤卡子姿态；使光斑中心与光屏中心重合；之后移动激光器使激光依次由待测光谱仪上端、下端光纤入射，调节卡子姿态使得光斑均位于光屏中心，此时光纤卡子姿态校准完成。
优选地，步骤(2-2)所述调整光纤卡子位置的过程如下：实时测量光纤出射端光斑，调整光纤卡子位置，直至光斑最小；移动激光器依次对准焦面待校准光谱上端光纤、下端光纤；重复调节直至光纤卡子上中下部激光光斑最小，此时光纤卡子焦距校准完成。
优选地，所述实时测量的过程如下：搭建光纤出射端校正自准直光路，在平面反射镜前放置光屏，用10倍率CCD显微镜连接电脑实时测量氦氖激光器光斑在光屏处偏离中心情况。
优选地，所述搭建光纤出射端校正自准直光路的过程如下：在光谱仪入瞳处即沿光路方向，准直镜改正镜后175mm处放置平面反射镜，平面反射镜平行于准直镜改正镜；将激光器由激光器夹持架固定，对准焦面板；激光由焦面板待校准光谱仪中心光纤入射。
本发明的有益效果如下：
本发明简化了光纤卡子出射端姿态的调节过程，减少了因人为因素造成的调节误差，通过使用电脑连接10倍CCD显微镜实时测量光斑即提高了调节精度，也提高了调节速度，使高精度光学系统装调与日常维护更为方便。
附图说明
图1为LAMOST-LRS的光学系统示意图；
图2为LAMOST-LRS光路、平面反射镜、光屏放置位置示意图；
图中：1、照相镜；2、场镜；3、照相镜改正镜；4、VPH光栅；5、准直镜改正镜；6、分色镜；7、准直镜；8、平面反射镜；9、光屏；10、焦面。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例需要在原光学系统中添加光学元件及设备来实现，以LAMOST-LRS为例，如图1所示为LAMOST-LRS的光学系统示意图，图中10为焦面，即待校准光谱仪中心光纤入射位置，也即校正时激光器的光源发射端，光经由焦面10端射入系统，可以视为一个点光源发出的光，光线首先经过准直镜7，使发散光路变为平行光路并反射；随后平行光路经过分色镜6，部分波长范围的光选择性地透过分色镜6进入准直镜改正镜5，用于校正光线在经过非球面的准直镜7时所产生的球面误差；光线经过校正后射入VPH光栅4发生色散，分解为光谱；再经过照相镜改正镜3，其作用与准直镜改正镜作用类似，用于校正因非球面的照相镜1所产生的球面误差；最后经过照相镜1在场镜2处成像。
光纤卡子有俯仰、偏摆及前后三个维度的调节(其中俯仰和偏摆调节两个维度造成系统的偏心误差，前后调节则影响系统的离焦)，其相当于光线的发射端，因此需要调节其三个维度的姿态使得入射光线可以水平射入系统正中心，以往的调节方法是依赖于实验人员的工作经验进行调整校正，但这难免取决于个人的主观判断，校正过程也难以避免存在误差。本实施例采用对中心光纤外接一个激光器，使得激光器的光经过光纤卡子由焦面10射入光路，通过观察激光灯光斑的状态来反应光纤卡子的状态，并通过观察光斑状态对光纤卡子姿态的三个维度进行调节，具象化了光纤卡子的调节参考量，减小因个人经验主观判断所产生的误差。
在对光纤卡子出射端姿态进行调节时，还需准备氦氖激光、激光器夹持架、平面反射镜8、光屏9以及10倍CCD显微镜，其中平面反射镜8以及光屏9在光路系统中的位置如图2所示；对于这些光学元件及设备的安装及调节步骤如下：
(a)在光谱仪入瞳处即沿光路方向，准直镜改正镜5后175mm处(VPH光栅4之前)放置平面反射镜8，平面反射镜8与准直镜改正镜5保持平行，使从准直镜改正镜5经过的光线在被平面反射镜8反射后可以原路返回。
(b)将氦氖激光器由激光器夹持架固定，对准焦面板；激光由焦面板待校准光谱仪中心光纤入射。
(c)首先进行光纤卡子姿态的调节，在平面反射镜8前平行安装光屏9，用10倍率CCD显微镜连接电脑实时测量氦氖激光器光斑在光屏9处偏离中心情况。
(d)其次进行光纤卡子焦距的调节，撤去光屏9，用10倍CCD显微镜连接电脑实时测量光纤出射端光斑。
在原光路系统中添加光学元件，如图2所示：在准直镜改正镜5的后端添加平面反射镜8和光屏9，即光线经过准直镜改正镜5后射入平面反射镜8，之后反射在光屏9上成像；首先通过观察光屏9上的光斑偏离中心状态并调整光纤卡子状态使其位于中心，即步骤(c)，之后切换入射端使光斑均位于光屏9中心，此时即消除偏心误差，接下来撤去光屏9，光斑经过平面反射镜8反射重新入射回系统，由于已经消除了偏心误差，此时光斑落在焦面10端的光源发射端，此时通过调节光纤卡子姿态使光斑最小即可完成光纤离焦调整。两个过程中均采用10倍率CCD显微镜连接电脑实时测量激光器光斑状态，避免直接用肉眼观看判断所产生的主观误差。
一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，具体步骤如下：
(1)在上述光学元件及设备的安装及调节完成后，来自光纤的光经过狭缝射入准直光路。
(2)光线进入系统后，依次经过准直镜7，分色镜6以及准直镜改正镜5，最后到达平面反射镜8后发生反射。
(3)反射光落在位于平面反射镜8前的光屏9上，通过用10倍率CCD显微镜连接电脑对氦氖激光器光斑在光屏处偏离中心情况进行实时测量。
(4)调整光纤出射端卡子姿态，使得光斑中心与光屏9中心重合；移动氦氖激光器，使激光依次由待测光谱仪上端、下端入射，重复调节光纤出射端卡子姿态使得激光由不同位置光纤出射端出射，光斑中心皆位于光屏9中心，实现光纤卡子姿态的校正。
(5)从光路中移除光屏9，此时反射光线射入光纤出射端；用10倍CCD显微镜连接电脑实时测量光纤出射端光斑，调整光纤卡子位置，即准直系统焦距，直至光斑最小；移动氦氖激光器，依次对准焦面待校准光谱上端光纤、下端光纤重复调节光纤卡子位置直至光纤卡子上中下部激光光斑最小，实现光纤卡子焦距的校准。
本实施例所用光学元件及设备所起的作用如下：
平面反射镜：平行放置在准直镜改正镜后，使平行射出的光线可以经过反射镜原路返回，通过对反射回的光斑进行实时观察并获得调节反馈，进行光纤卡子姿态的调节。
光屏：在对光纤卡子姿态进行调节前需在光路中安装光屏，光屏的作用在于接受从反射镜反射的光线，此时光纤卡子姿态尚未调节完成，光线经过光纤有可能倾斜入射整个系统，若无光屏，则光线经过反射后原路返回，不能保证反射光线正好射入光纤出射端，光斑无法接收，则无法得到调整反馈；安装光屏后，反射光线射入光屏上，调节光纤卡子姿态，通过观察光斑在光屏上的位置来得到反馈，当光斑恰好位于光屏中央时光纤卡子姿态调节完成，此时撤下光屏，反射光线原路返回可以射入光纤出射端。而在进行光纤卡子焦距的调节时，因为光斑的大小及清晰程度即代表了其能量集中度，当光纤卡子位置恰好位于准直系统焦距时，反射光斑最小且最清晰，即完成光纤卡子焦距的校准。
10倍CCD显微镜：使用10倍CCD显微镜连接电脑对反射回的光斑进行实时测量，可以更加清楚直观的观察光斑的前后变化，获得更加精准的反馈，避免了人眼直接观察所带来的误差：在进行光纤卡子姿态的调节时，由于人的观察角度以及站位高低不同等因素会带来视角上的误差，影响调节精度；而在进行光纤卡子焦距的调节时，若光斑大小变化不明显，则人眼很难判断出来，得不到调节反馈也就无法进行更加精确的校准。
使用上述光学元件及设备，将光纤卡子姿态出射端的调节分为两部分，首先通过观察反射到光屏中的光斑位置的反馈进行光纤卡子姿态的调节，当光斑位于光屏中央时，光纤卡子姿态调节完成；其次通过观察反射回光纤出射端的光斑大小的反馈进行光纤卡子焦距的调节，当光斑最小最亮时，光纤卡子焦距调节完成。

Claims (5)

1.一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先对LAMOST-LRS光学系统进行光学元件及设备的安装：
(1-1)在光路中放置平面反射镜，平面反射镜位于准直镜改正镜前方且与准直镜改正镜保持平行，使从准直镜改正镜经过的光线在被平面反射镜反射后可以原路返回；
(1-2)将激光器由激光器夹持架固定，对准焦面板；激光由焦面板待校准光谱仪中心光纤入射；在平面反射镜前平行安装光屏；
(2)再通过对反射回的激光器斑点情况进行光纤出射端姿态的调节：
(2-1)观察光斑偏离光屏中心情况，调节光纤卡子姿态使得光斑均位于光屏中心，以消除系统的偏心误差；
(2-2)撤去光屏，观察光斑的能量集中度情况，调整光纤卡子位置使光斑最小能量集中度最高，以消除系统的离焦。
2.根据权利要求1所述的一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，其特征在于，步骤(2-1)所述调节光纤卡子姿态的过程如下：实时测量激光器光斑在光屏处偏离中心情况，调整光纤卡子姿态；使光斑中心与光屏中心重合；之后移动激光器使激光依次由待测光谱仪上端、下端光纤入射，调节卡子姿态使得光斑均位于光屏中心，此时光纤卡子姿态校准完成。
3.根据权利要求1所述的一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，其特征在于，步骤(2-2)所述调整光纤卡子位置的过程如下：实时测量光纤出射端光斑，调整光纤卡子位置，直至光斑最小；移动激光器依次对准焦面待校准光谱上端光纤、下端光纤；重复调节直至光纤卡子上中下部激光光斑最小，此时光纤卡子焦距校准完成。
4.根据权利要求2或3所述的一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，其特征在于，所述实时测量的过程如下：搭建光纤出射端校正自准直光路，在平面反射镜前放置光屏，用10倍率CCD显微镜连接电脑实时测量氦氖激光器光斑在光屏处偏离中心情况。
5.根据权利要求4所述的一种快速调节LAMOST-LRS光纤出射端姿态的方法，其特征在于，所述搭建光纤出射端校正自准直光路的过程如下：在光谱仪入瞳处即沿光路方向，准直镜改正镜后175mm处放置平面反射镜，平面反射镜平行于准直镜改正镜；将激光器由激光器夹持架固定，对准焦面板；激光由焦面板待校准光谱仪中心光纤入射。
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