LAMOST光纤定位子系统测量装置

　　1　引　　言

　　LAMOST(大天区多目标光纤光谱天文望远镜)项目是我国正在进行的重大科学工程之一。它的焦面由4,000根光纤组成,每根光纤及其控制机构组成一个定位单元。光纤定位单元采用双回转结构,它包括臂长相等的一中心回转轴和一偏心回转轴[1]。在中试机构中,制作了19个这样的单元,组成一个观测子系统。为了监测各单元的运行状况及检测其定位精度,引入了本测量装置。

　　由于LAMOST光纤定位子系统安装好后不能接触、不能移动、需实时在线测量,因此无法应用传统的位置测量方式如接触式测量,利用万能工具显微镜等。本测量系统采用的是摄影测量即利用面阵CCD拍摄的图像信息来测定光纤点的位置。

　　2　测量系统

　　2.1　测量系统的硬件构成

　　测量系统结构示意图如图1所示,它由一块PULNIX公司的面阵CCD,一块Bitflow公司的图像采集卡,一个SIGMA的变焦镜头所组成。

　　2.2　测量系统中的图像处理

　　实验中,通过采集卡把ccd拍摄下来的图像以raw格式保存在主机中,采用国际上比较通用的光重心法来确定光斑的位置,即利用光斑的光重心的行列坐标来表征光斑的物理位置[2]。

　　3　测量系统的标定

　　由于要求光纤定位单元的定位精度不大于40μm,考虑到CCD像机本身存在的暗电流、温漂以及镜头存在的像场畸变等因素,用一块上面有已知位置光点阵列的标定靶对本测量系统进行标定。

　　3.1　测量系统的硬件构成

　　标定靶上面的光点阵列是由刻蚀工艺加工而成,相邻光点之间的距离为5mm,且横竖两个方向正交,共676个光点,这些光点被LED照亮,标定靶本身精度为1μm。标定靶光点阵列局部示意图如图2所示。

　　3.2　标定方法及结果

　　接通CCD电源,预热30min,达到热平衡后,接通标定靶电源,拍摄图像。在5h内的测量数据稳定性为0.05像元,方差为0.01像元,这说明测量装置稳定性很好可用于空间点的位置测量。

　　测量得到的数据为光斑的像面坐标,以像元为单位,为了得到光纤的定位精度需要进行物象坐标装换。在本测量系统中采用的是4次曲面拟合的方法得到从像面坐标转换到物面坐标。UOV为像面坐标,以CCD拍摄图像的左上角为坐标原点,XOY为物面坐标,以标定靶的左下角为坐标原点。对于其中的任意一个点,物面坐标(x,y)可以用像面坐标(u,v)表示如下:

　　则对于标定靶上的676个点,可以列出676组这样的方程,然后用最小二乘方法求解出参数,利用这20个参数就可以进行像面坐标和物面坐标间的转换,而且这些参数已经修正了镜头像场畸变等误差。图3是曲面拟和解和点实际坐标的残差经统计后的直方图,残差均值为2.72μm,方差为4.62μm。