基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法

摘要

本公开提供了一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，包括：布置非平面阵列多孔；计算平面上各点的坐标值；通过可变焦点投影法计算平面上的各点在曲面上投影后的坐标值；比较上相邻两点间的间距；计算非平面阵列孔相邻各点间距最大误差；多次迭代优化误差，生成非平面阵列孔中心点的三维坐标。本公开能够制造具有高的位置精度安装光纤定位单元非平面阵列孔位，安装光纤单元后能够提高望远镜光学焦面上光谱接收能量效率，实现光纤在焦面上无盲区扫描覆盖。

权利要求

1.一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，包括：步骤A：布置非平面阵列多孔；其中，所述步骤A包括：步骤A1：根据阵列孔的个数与焦面板的面积和光纤定位单元间距相关，得到贯通孔的个数为：

其中，N为阵列的贯通孔数量，k为光纤定位单元所占面积的百分比，A1为焦面板的面积，A2为光纤定位单元不碰撞扫描面积；

步骤A2：根据相邻空位之间呈等分三角关系，对步骤A1进一步推导得到：其中，k为光纤定位单元所占面积的百分比，t为阵列的贯通孔间距；

步骤A3：得到阵列孔贯通孔的个数与光纤定位单元间距的关系：其中，N为阵列的贯通孔数量，DF为焦面板的直径，t为阵列的贯通孔间距；

步骤B：计算平面上各点的坐标值；通过可变焦点投影法计算平面上的各点在曲面上投影后的坐标值；

步骤C：比较相邻两点间的间距；计算非平面阵列孔相邻各点间距最大误差；

步骤D：多次迭代优化误差，生成非平面阵列孔中心点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，其中，所述步骤B包括：

步骤B1：阵列孔在平面模板上中心对称排列，在平面模板360°范围内，以周期n°划分为多个扇区，取其中一个扇区作为分析；

步骤B2：采用matlab做出阵列孔在平面模板上中心点P和投影在非平面对应投影点Q的三维数据模型；

步骤B3：在多个方向上取圆孔的中心间距，分别计算每个方向上矩阵的排列方式。

3.根据权利要求2所述的基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，其中，所述步骤B1中，所述周期n°＝60°；所述步骤B2中，在一个扇区的三个方向上取圆孔的中心间距，三个方向包括0°、60°方向和120°，分别计算三种方向上矩阵D1、D2和D3的排列方式，其中，所述步骤C中包括：

相邻各点间距最大上误差：Errorup＝max(D)-r；

相邻各点间距最大下误差：Errordown＝min(D)-r；

其中，r为阵列的贯通孔在非平面投影后等分间距。

4.根据权利要求2所述的基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，其中，所述步骤B2包括：设平面模板上任意相邻的两个圆心点分别为第一圆心点 和第二圆心点 第一圆心点和第二圆心点对应在曲面上投影点分别为和点

说明书

基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法

技术领域

[0001] 本公开涉及天文望远镜领域，尤其涉及一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法。

背景技术

[0002] 从20世纪80年代开始，国际上掀起了制造新一代大型望远镜的热潮，现代大型望远镜已成为国家综合国力和科技进步的标致之一。随着各种巡天计划的不断推出，天文光
谱望远镜研究已经成为热点，在观测不同的天区时，天体的像(光斑)落在焦面的不同位置
上，为了尽可能多地接收到天体的光能量，除了要求望远镜的光学系统具有好的性能外，还
必须让焦面上的每一根光纤的入射端都准确地对准天体的像；实际观测时，由光纤接收头
对准天体星像位置采集星像之光经光纤传输到光谱仪中。光纤接收能量效率是由几种影响
引起的，包括模糊的星系图像、星系图像的横向错位、相对于光纤头，空气/玻璃界面处的损
耗、光学和光纤中的反射和传输损耗、光纤焦比退化、衍射光栅效率等等。效率损失分为三
类，光传输损失、光纤单元由于横向错位造成的损失、以及由于目标相对于光纤头的模糊和
散焦而造成的损失。

[0003] 现在世界上通常的做法有两种：一种是固定打孔法，即在焦面的基板上按所需观测天区的天体星像的对应位置分布打上孔，然后将光纤固定安装在这些孔内，观测时将该
板放在望远镜的焦平面上。美国的Sloan数字化巡天(SDSS)项目在望远镜(APO)即用此法安
装光纤。其不足在于，当观察者要改变观测天区时，即要更换新的光纤基板，加工量很大。同
时由于其孔位固定，使微调十分不便。另一种做法为磁扣法，即以铁板为焦面基板，在每一
个对应天体星像的位置处设置一个磁性扣头，在磁性扣头的上部有一棱镜，它将天体星像
的光偏转90。射到平躺在铁板上的光纤中，然后再传输到光谱仪中去，磁扣头的放置由精巧
的机器人执行。英澳望远镜(AAT)的星系红移巡天项目即用此法固定光纤。这种方法虽然有
调整方便的优点，但是其结构复杂，而且每个接受端都有一根光纤拖在基板上，因此其布点
密度不宜太大，考虑到其稳定性及误差，一般只适用于小型的光纤焦面基板。

[0004] 上面介绍两种方法，在焦面基板上布置的光纤数分别为640根和400根光纤，每次观测天体目标数量较少，效率较低。其获得的百万量级天体光谱相对于千亿量级的天体数
量犹如沧海一粟，需要制造出高密度焦面基板用光纤定位方法来观察海量的待观测目标。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 本公开提供了一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 根据本公开的一个方面，提供了一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，包括：

[0009] 步骤A：布置非平面阵列多孔；

[0010] 步骤B：计算平面上各点的坐标值；通过可变焦点投影法计算平面上的各点在曲面上投影后的坐标值；

[0011] 步骤C：比较相邻两点间的间距；计算非平面阵列孔相邻各点间距最大误差；

[0012] 步骤D：多次迭代优化误差，生成非平面阵列孔中心点的三维坐标。

[0013] 在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括：

[0014] 步骤A1：根据阵列孔的个数与焦面板的面积和光纤定位单元间距相关，得到贯通孔的个数为：

[0015]

[0016] 其中，N为阵列的贯通孔数量，k为光纤定位单元所占面积的百分比，A1为焦面板的面积，A2为光纤定位单元不碰撞扫描面积；

[0017] 步骤A2：根据相邻空位之间呈等分三角关系，对步骤A1进一步推导得到：

[0018]

[0019] 其中，k为光纤定位单元所占面积的百分比，t为阵列的贯通孔间距；

[0020] 步骤A3：得到阵列孔贯通孔的个数与光线定位单元门间距间的关系：

[0021]

[0022] 其中，N为阵列的贯通孔数量，DF为焦面板的直径，t为阵列的贯通孔间距。

[0023] 在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括：

[0024] 步骤B1：阵列孔在平面模板上中心对称排列，在平面模板360°范围内，以周期n°划分为多个扇区，取其中一个扇区作为分析；

[0025] 步骤B2：采用matlab做出阵列孔在平面模板上中心点P和投影在非平面对应投影点Q的三维数据模型；

[0026] 步骤B3：在多个方向上取圆孔的中心间距，分别计算每个方向上矩阵的排列方式。

[0027] 在本公开的一些实施例中，所述步骤C中包括

[0028] 相邻各点间距最大上误差：Errorup＝max(D)-r；

[0029] 相邻各点间距最大下误差：Errordown＝min(D)-r；

[0030] 其中，r为阵列的贯通孔在非平面投影后等分间距。

[0031] 在本公开的一些实施例中，所述步骤B1中，所述周期n°＝60°；所述步骤B2中，在一个扇区的三个方向上取圆孔的中心间距，三个方向包括0°、60°方向和120°，分别计算三种
方向上矩阵D1、D2和D3的排列方式，

[0032]

[0033] 在本公开的一些实施例中，所述步骤B2包括：设平面模板上任意相邻的两个圆心点分别为第一圆心点 和第二圆心点 第一圆心点和第二
圆心点对应在曲面上投影点分别为 和点

[0034] (三)有益效果

[0035] 从上述技术方案可以看出，本公开基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

[0036] 本公开能够制造具有高的形状精度安装光纤定位单元非平面阵列孔位，安装光纤单元后能够提高望远镜光学焦面上光谱接收能量效率，实现光纤在焦面上无盲区扫描覆
盖。

附图说明

[0037] 图1为平面对焦面的投影方式示意图。

[0038] 图2为本公开实施例基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法的方框图。

[0039] 图3为焦面板的平面阵列圆柱孔布置的局部放大示意图。

[0040] 图4为焦面板分区示意图。

[0041] 图5为曲面上六分之一扇区阵列孔的中心间距建模和分类示意图。

具体实施方式

[0042] 本公开提供了一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，包括：布置非平面阵列多孔；计算平面上各点的坐标值；通过可变焦点投影法计算平面上的各点在
曲面上投影后的坐标值；比较上相邻两点间的间距；计算非平面阵列孔相邻各点间距最大
误差；多次迭代优化误差，生成非平面阵列孔中心点的三维坐标。本公开能够制造具有高的
形状精度安装光纤定位单元非平面阵列孔位，安装光纤单元后能够提高望远镜光学焦面上
光谱接收能量效率，实现光纤在焦面上无盲区扫描覆盖。

[0043] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0044] 本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释
为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

[0045] 本领域技术人员应该了解的是，对于平面结构进行均匀分区是比较容易完成，通常采用三角和六边形分区形式。但由于有些曲面不能有限次分割后展开成平面，所以在将
平面坐标投影在球面上时，两点坐标之间的相对距离会改变，不同的投影方法得到的曲面
坐标的距离改变不同，如图1所示，图1为平面对焦面的投影方式示意图。其中，采用平行的
投影方法，孔的等分截距会随着焦面的半径增加，孔间距的误差呈增大趋势，同时，孔间距
大小随孔中心极角的变化也近似地呈周期性变化。采用向心的投影方法，孔的等分截距在
焦面板的中心会受较大影响。虽然曲率半径大，焦面直径相对较小，这种差异如果采用不
当，会对孔位精度产生很大影响。

[0046] 为了减少孔位误差的影响，采用上面这两个极端投影方式之间的可变焦点投影方案，建立数学模型，通过编程计算找出最佳位置。具体的在本公开的一个示例性实施例中，
提供了一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法。图2为本公开实施例基于
光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法的方框图。如图2所示，本公开基于光纤单元
的焦面板非平面阵列孔均分制造方法包括：

[0047] 步骤A：焦面板的阵列多孔在非平面上布置时，结构和孔的排列规则，如图3所示，图3为焦面板的平面阵列圆柱孔布置的局部放大示意图。其中贯通孔形状为圆柱孔，以此作
为基本形式。具体的，步骤A包括：

[0048] 步骤A1：在非平面的焦面板安装面上加工呈蜂窝状的向心阵列的贯通孔，贯通孔的个数与焦面板的面积和光纤定位单元间距有关。根据阵列孔的个数与焦面板的面积和光
纤定位单元间距相关，得到贯通孔的个数为：

[0049]

[0050] 其中，N为阵列的贯通孔数量，k为光纤定位单元所占面积的百分比，A1为焦面板的面积，A2为光纤定位单元不碰撞扫描面积。

[0051] 步骤A2：对于基本形式排布的阵列孔，如图4所示，图4为焦面板分区示意图。根据相邻空位之间呈等分三角关系，对步骤A1进一步推导得到：

[0052]

[0053] 其中，k为光纤定位单元所占面积的百分比，t为阵列的贯通孔间距；

[0054] 步骤A3：得到阵列孔贯通孔的个数与光线定位单元门间距间的关系：

[0055]

[0056] 其中，N为阵列的贯通孔数量，DF为焦面板的直径，t为阵列的贯通孔间距。

[0057] 步骤B：计算平面上各点的坐标值；通过可变焦点投影法计算平面上的各点在曲面上投影后的坐标值。具体的，步骤B包括：

[0058] 步骤B1：阵列孔在平面模板上中心对称排列，在平面模板360°范围内，以周期n°划分为多个扇区，取其中一个扇区作为分析。本实施例中周期为60°。

[0059] 步骤B2：采用matlab做出阵列孔在平面模板上中心点P和投影在非平面对应投影点Q的三维数据模型。建立如图5所示的直角坐标系，以沿着y轴的方向分别是第1行、第2
行....第n行；同样以沿着x轴的方向分别是第1列、第2列....第n列。显然，当x轴上有n个圆
孔时，第i行上有n-i+1个圆孔，共有 个圆孔。将第i行第j列的圆孔中心坐标定义为Pij
(xij，yij)，当圆心距为r时，有： 将Pij(xij，yij)分别排
列成xij和yij的矩阵。具体的，设平面模板上任意相邻的两个圆心点分别为第一圆心点
和第二圆心点 第一圆心点和第二圆心点对应在曲面上投
影点分别为 和点

[0060] 步骤B3：在多个方向上取圆孔的中心间距，分别计算每个方向上矩阵的排列方式。具体的，将投影在球面上的的圆孔的中心间矩分类成如图5所示的三种方向，分别为水平方
向、60°方向和120°方向。别计算三种方向上矩阵D1、D2和D3的排列方式，

[0061]

[0062] 所以在曲面上与模板上两圆心间矩相对应的弦长为：

[0063]

[0064] 其中，在水平方向取圆孔的中心间矩的排列如矩阵D1：

[0065]

[0066] 其中，在60°方向取圆孔的中心间矩的排列如下矩阵D2：

[0067]

[0068] 其中，在120°方向圆孔的中心间矩的排列如下矩阵D3：

[0069]

[0070] 由于 和 都是已知，所以只要找到Pij→Qij和Pnm→Qnm对应关系就可以根据式子(1)分别求出D1，D2和D3。

[0071] 进一步，分别对三种方向上对应的弦长数据进行分类分析，找出变化的规律。

[0072] 由于矩阵的D1，D2，D3中仅上三角部分是有效的元素，所以将各个矩阵的有效元素取出后排列成矩阵D，D的排列方式如下：

[0073]

[0074] 显然，D是一个 的矩阵。

[0075] 步骤C：比较相邻两点间的间距；计算非平面阵列孔相邻各点间距最大误差。其中，

[0076] 相邻各点间距最大上误差：Errorup＝max(D)-r；

[0077] 相邻各点间距最大下误差：Errordown＝mm(D)-r；

[0078] 其中，r为阵列的贯通孔在非平面投影后等分间距。

[0079] 步骤D：多次迭代优化误差，生成非平面阵列孔中心点的三维坐标。

[0080] 需要说明的是，利用上面的数学公式模型，使用软件编程进行优化，找出在上面可变焦点投影方式之间最佳位置，得出近似均布曲面上孔中心点的三维坐标数据。出孔中心
点的三维坐标数据，利用CAM软件编制生成加工代码，传输到相应的数控设备加工单元定位
孔，保证孔位精度。

[0081] 至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并
未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体
结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0082] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法有了清楚的认识。

[0083] 综上所述，本公开提供一种基于光纤单元的焦面板非平面阵列孔均分制造方法，能够制造具有高的形状精度安装光纤定位单元非平面阵列孔位，安装光纤单元后能够提高
望远镜光学焦面上光栅接收能量效率，实现光纤在焦面上无盲区扫描覆盖。

[0084] 此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼
此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合
形成更多的实施例。

[0085] 在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求
的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种
编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公
开的最佳实施方式。

[0086] 本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的
软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微
处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部
部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者
全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程
序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可
以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

[0087] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施
例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面
的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，
遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身
都作为本公开的单独实施例。

[0088] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡
在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保
护范围之内。