□ 武漢市第二中學(xué) 張亦弛

激光校準(zhǔn)器校準(zhǔn)
——可以如此簡(jiǎn)單

□ 武漢市第二中學(xué) 張亦弛

作為一名天文愛(ài)好者，長(zhǎng)期以來(lái)，筆者在使用牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀星時(shí)，常常受到激光校準(zhǔn)器誤差的困擾，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、多次實(shí)踐并加以總結(jié)，現(xiàn)將一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的校準(zhǔn)方法與讀者分享。

1.前言

牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易獲得較大的口徑，是天文愛(ài)好者尤其是目視愛(ài)好者最廣泛使用的望遠(yuǎn)鏡類型之一。但是，由于運(yùn)輸、搬運(yùn)、架設(shè)等因素，導(dǎo)致牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的光軸出現(xiàn)偏移，每次使用前都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，否則將影響望遠(yuǎn)鏡性能的發(fā)揮。目前，主要的光軸校準(zhǔn)方法有校準(zhǔn)目鏡法、激光校準(zhǔn)器法、星點(diǎn)法等。其中激光校準(zhǔn)器法簡(jiǎn)單、直觀，可單人在夜間完成，是最簡(jiǎn)單快捷的方法。但由于激光校準(zhǔn)器自身的精度不穩(wěn)定，導(dǎo)致應(yīng)用的實(shí)際效果大打折扣。

2.誤差及其校準(zhǔn)原理

激光校準(zhǔn)器的基本構(gòu)造包括金屬圓筒、激光器以及緊固/校準(zhǔn)螺絲三個(gè)部分（如圖1所示），日常使用時(shí)利用緊固/校準(zhǔn)螺絲保持、調(diào)整激光器與金屬圓筒的同軸性。由于受機(jī)械精度、震動(dòng)等因素的影響，這種同軸性需要經(jīng)常檢驗(yàn)和調(diào)整，使激光器光軸與金屬圓筒中軸線重合。

基于這種構(gòu)造，在投影平面上產(chǎn)生的誤差有兩種情況，即光軸與中軸相交或平行（如圖2）。無(wú)論是出現(xiàn)哪種情況的誤差，當(dāng)激光器繞中軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，投射出的光斑都會(huì)形成一個(gè)以中軸線與投影面交點(diǎn)為中心的圓。如果我們能夠消除這個(gè)“圓”，使光斑與“圓心”重合，困擾我們的校準(zhǔn)問(wèn)題也就解決了。這就是校準(zhǔn)的基本原理。根據(jù)這個(gè)基本原理，校準(zhǔn)裝備包括一個(gè)基座和一個(gè)投影面，其中基座用于支撐激光器并使其能夠穩(wěn)定地繞中軸線旋轉(zhuǎn)，投影面則用來(lái)顯示光斑的軌跡?；屯队懊嬷g有一段距離，稱為基線，假設(shè)基線長(zhǎng)度為L(zhǎng)。第一種誤差（相交）形成的投影圓半徑為：R = Ltanα，即基線越長(zhǎng)，R越大，誤差放大的程度越高，系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度越高；第二種誤差（平行）形成的投影圓半徑為R=d，即誤差的放大程度與基線長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，但第二種誤差在出現(xiàn)微小的擾動(dòng)（如校準(zhǔn)螺絲微小的旋轉(zhuǎn)）時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝环N誤差，因此可以認(rèn)為在現(xiàn)實(shí)中第二種誤差不存在。綜上，基線的長(zhǎng)度決定了校準(zhǔn)的精度。在激光校準(zhǔn)器工作時(shí)，校準(zhǔn)器插入調(diào)焦座，置于焦點(diǎn)附近，激光照射到主鏡后再返回激光器，整個(gè)工作光路長(zhǎng)度大約為2f（f為反射鏡焦距），因此基線L的長(zhǎng)度不應(yīng)小于2f，才能保障校準(zhǔn)的基本精度要求。

圖1 激光校準(zhǔn)器的基本構(gòu)造

圖2 誤差的兩種表現(xiàn)形式

3.校準(zhǔn)裝備制作

基座

基座是整個(gè)校準(zhǔn)裝備的重要組成部分，其作用是使激光器能穩(wěn)定地繞中軸線旋轉(zhuǎn)，筆者采用了簡(jiǎn)易V形支撐結(jié)構(gòu)。如圖3所示，該基座由一塊木板和四顆鐵釘構(gòu)成的兩個(gè)V字形支撐組成。V字形支撐的制作要把握兩個(gè)要點(diǎn)：一是鐵釘要稍微粗些，以保證剛性；二是兩個(gè)V字形結(jié)構(gòu)的間距要根據(jù)自己的激光器結(jié)構(gòu)把握好，應(yīng)使V字結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位能夠貼合激光器的特定部位（如圖3中用左上鐵釘貼合螺紋圓環(huán)），避免在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)前后位移。或者在側(cè)前方補(bǔ)上一顆釘子，使得激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)與其貼合。這里要特別注意，在旋轉(zhuǎn)時(shí)激光校準(zhǔn)器不能出現(xiàn)前后位移。

圖3 校準(zhǔn)器基座

投影面

投影面的制作更為簡(jiǎn)單，只需在墻面上貼一張白紙作為靶紙即可，盡可能保證紙張的平整。

裝備檢驗(yàn)

準(zhǔn)備就緒后，需對(duì)整個(gè)校準(zhǔn)裝備自身進(jìn)行檢驗(yàn)。校準(zhǔn)裝備的檢驗(yàn)也很簡(jiǎn)單：

1、標(biāo)記激光校準(zhǔn)器在基座上的位置，打開(kāi)激光器，在投影面上記錄其光斑位置。

2、在基座上旋轉(zhuǎn)激光器一周，回到原來(lái)標(biāo)記的位置，檢驗(yàn)光斑是否還能還原到先前的位置。如果無(wú)法回到原來(lái)的位置，可能是由V字形結(jié)構(gòu)剛性不夠、旋轉(zhuǎn)時(shí)基座出現(xiàn)了位移、旋轉(zhuǎn)時(shí)激光器出現(xiàn)了前后位移等原因造成的，需要仔細(xì)查找原因并進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過(guò)上述檢驗(yàn)后，校準(zhǔn)裝備就制作完畢。

4.激光校準(zhǔn)器校準(zhǔn)

校準(zhǔn)裝備制作完成后，就可以實(shí)施激光核準(zhǔn)器的校準(zhǔn)了。

1.固定基座

在底座上貼點(diǎn)雙面膠，粘到桌子上，避免不經(jīng)意碰撞導(dǎo)致位移。

2.貼投影面

打開(kāi)激光器，旋轉(zhuǎn)，根據(jù)光斑的位置在墻面上貼好投影靶紙。

3.記錄誤差軌跡

旋轉(zhuǎn)激光器，在靶紙上記錄投射點(diǎn)（如圖4，是筆者激光器的初始誤差）。

圖4 靶紙上的圓形軌跡

4.調(diào)整校準(zhǔn)

圖5 校準(zhǔn)螺絲的位置關(guān)系

以圓形軌跡的圓心（粗略估計(jì)即可）作為校準(zhǔn)的目標(biāo)點(diǎn)。然后，調(diào)整激光器的三顆校準(zhǔn)螺絲使光斑投射到目標(biāo)點(diǎn)上。校準(zhǔn)螺絲的使用也有一定的技巧，不能漫無(wú)邊際地亂擰。首先，旋轉(zhuǎn)激光器使其中一顆校準(zhǔn)螺絲大致處于垂直于水平面的狀態(tài)（如圖5所示），這時(shí)光斑相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的位置，就可反映出螺絲調(diào)節(jié)的方向。如果光斑偏上，那就需要松上螺絲，緊左螺絲和右螺絲；如果光斑偏左，就松左螺絲，緊右螺絲。如果偏右，就松右螺絲，緊左螺絲。把握松和緊的程度也需一些技巧，如果偏差比較大，就先松再緊，而且緊的時(shí)候留點(diǎn)余地，避免緊過(guò)度了不易回頭；如果偏差已經(jīng)比較小，就盡量不要松相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺絲。

5.重復(fù)步驟3和4，直至旋轉(zhuǎn)激光器時(shí)光斑位置不變。

在實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，要做到光斑完全不動(dòng)幾乎不可能，因?yàn)楣獍弑旧硎且粋€(gè)不規(guī)則的面，當(dāng)精度達(dá)到一定的程度后，我們追求的是圓心位于這個(gè)面內(nèi)，這時(shí)候就很難再進(jìn)一步校準(zhǔn)，這個(gè)基線長(zhǎng)度下的校準(zhǔn)就到此為止了。所以這個(gè)光斑越圓、越小，就越有助于校準(zhǔn)。高質(zhì)量的激光器可以做到1mm光斑，有利于更好的校準(zhǔn)。

上述校準(zhǔn)方法經(jīng)筆者多次試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，具有簡(jiǎn)單、快捷、成本低廉的特點(diǎn)，校準(zhǔn)效果較好，可大大提高校準(zhǔn)效率，希望能與同好交流并為愛(ài)好者提供幫助。

（責(zé)任編輯 張恩紅）