现代天文仪器之九：焦面光纤定位
再次道歉吧，原先的计划是，《望远镜的桁架设计》是系列中关于光学/红外/紫外仪器的最后一篇文章，之后就开始介绍亚毫米波和射电设备。不过考虑了一下，光纤定位系统还是值得一写的，毕竟这是当代大规模巡天的利器，加之7月有幸听了赵永恒研究员关于LAMOST的报告，了解了不少此方面内容，趁着自己还没完全忘掉，记一笔好了。
焦面光纤定位系统是在大型数字化光谱巡天兴起之后广泛利用的。它是在望远镜焦面处安置数十、数百乃至数千根光学纤维，每根光纤对准一个待测天体，将其光线引入多天体光谱仪中。这样就可以一次性获得大量光谱。
著名的例子是斯隆数字巡天。斯隆的光纤定位说来有些“笨”，光纤要逐一手工插接在预先钻好孔的铝板上，再安装到望远镜上。其实这类光纤定位板是应用最为普遍的，名为插接式光纤板（plug-plate）。早些年，威廉·赫歇尔望远镜（下左，图中为近年的新设备）和杜邦望远镜（下右）都采用过这样的设备。
图片来源：左：Bunker et al. 2005；右：SDSS
总的说来，焦面光纤定位方法分为三类，一是前述的插接式；二是所谓“池边渔夫”（Fishermen Around the Pond）式，用许多独立的机械装置同时放置多根光纤；三是只用单一的机械逐一放置光纤。显然，大规模光纤定位的前提是对待测天区天体的位置有较精确的了解。
斯隆数字巡天的光纤定位板可以算是插接式定位板的登峰造极之作，由华盛顿大学承制。由于光纤插接是靠手工完成的，为方便更换且避免浪费时间，斯隆共准备了9个光谱仪模块，每个模块内装一组定位板连带光纤，观测期间轮番准备。为保证光纤顺利定位，每根光纤的插入端都设有精密的不锈钢头。比较特殊的一点是，由于斯隆望远镜焦面的入射光线与垂直方向之间有1.8度的夹角，钻孔也要作相应的倾斜。此外为配合望远镜的曲面焦面，钻孔时也是将定位板固定在弯曲的夹具上的。
斯隆巡天的光纤定位板。（图片提供：SDSS）
不消说，插接式光纤板的最大缺点就是准备工作烦琐。大量的钻孔工作也是很浪费金属材料的，而且倘或钻错，也难以弥补。譬如斯隆的望远镜视场是3度，第一期巡天面积是8000平方度，准备了差不多3000块光纤板，算得上一项极其浩大的工程了。
为斯隆巡天的定位板插接光纤。（图片提供：Thomas Nash）
BTW，很多介绍文章都说斯隆每次观测的天体数目上限是640个。其实这是不准确的。640根光纤倒是不假，但根据资料来看，其中只有592根是用于观测科学目标的，另有16根用于观测校准星，还有32根用于天空背景测量。
池边渔夫式光纤定位法出现不算晚，1980年代中叶就已在Steward天文台应用，在1990年代初又用到了欧洲南方天文台的3.6米望远镜上。这是在望远镜的焦面周围排列一圈光纤定位臂（可参见下图），每条臂的覆盖范围是一个扇型区域。Steward天文台2.3米望远镜的MX光谱仪和欧南台3.6米望远镜的MEFOS（默东-欧南台光纤光学系统）都是用每个定位臂控制两根光纤，其一观测天体，其二观测天光背景。这一方法的缺陷是，一次性可观测的天体数一般较小，MX一次只能观测32个天体，而MEFOS只能观测30个。
MEFOS的光纤定位系统，周围一圈都是定位臂，一共30个。“池边渔夫”倒是很形象的描述。（图片来源：Guerin et al. 1993）
英-澳天文台的2度视场星系红移巡天（2dFGRS）是当下使用4米级望远镜的巡天计划中最大的一个，它使用第三种方式准备光纤板。2dFGRS的每根光纤都装有稀土磁扣，可以用一台专门的机械将其固定到不锈钢焦面定位板上。不锈钢板也无需逐一钻孔，而是让装有光纤的一面朝向英-澳望远镜的主镜以接收反射的天体辐射。为克服这种方法准备时间过长的缺陷，2dFGRS备有两块钢板，观测的同时，另一块可以在焦面上方做准备，更换观测目标时只需把两板对换即可（由专门的翻转机构完成），基本不存在无效时间，因而大大提高了观测效率。2dFGRS最多可以同时获取400个天体的光谱（也就是有400根测星光纤），另外还设有4根导星专用光纤。
2dFGRS的观测设备结构，紫色部分即为对调光纤定位板的转轴。（图片提供：K. Taylor, Anglo-Australian Observatory）
在2dFGRS光纤的入射端，还配备有高折射率玻璃制成的92度棱镜。每根光纤的放置范围是从焦面边缘到焦面中心附近，较斯隆巡天要灵活许多。
2dFGRS的光纤结构。（图片来源：Lewis et al. 2002）
顺便说说光纤问题。2dFGRS和斯隆的光纤都特别强调了蓝端的透过率，2dFGRS的相关文献更是明确指出，这样做是以牺牲部分红端透过率为代价的。本人不熟悉巡天工作，故对如此做法的理由并不清楚，还望指教。
中国在建的LAMOST望远镜光纤定位系统的设计则相当大胆，与前述三种类型有所不同：4000根可以独立定位的光纤遍布整个球面焦面，每根都有各自的定位系统，且覆盖区域彼此交叉，这样就可以把光纤放置到望远镜视场的任意地方。这是中国科学技术大学的单元驱动分区定位设计，不需要准备大量的光纤板，调整速度也较快，可以在很大程度上节约材料、资金和时间，因此广受好评。
如果我没有理解错的话，LAMOST的每个光纤定位单元都是双回转系统，由两台步进电机驱动两根定位臂。其中一臂一端为固定转轴，另一臂一端连接在前一臂的活动端上，另一端连接光纤，这样一组装置可以覆盖一个圆形区域。今年2月底，由250个光纤定位单元连带控制电路组成的小系统以40微米的定位精度通过了验收，并于3月初开始在兴隆观测基地安装。期待着大系统早日完工吧……
当然，用焦面光纤板一次性获取大量天体的光谱也是有不足之处的。除却这类光谱分辨率大多较低外，还因每根光纤的覆盖视场有限（角秒量级），对于展源，往往只能获取中心部分的光谱，影响探测结果。印象里clearskies的早期科研内容包括斯隆巡天的星系光谱改正，不知道做得如何了？
参考资料：
[1] Sloan Digital Sky Survey: Mapping the Universe
[2] Documentation for the Sloan Digital Sky Survey
[3] Plug-plate drilling for Sloan Digital Sky Survey
[4] Groups in the Las Campanas Deep Redshift Survey: A First Look, Tucker, D. L., ASP Conference Series, Vol. 70, 1995
[5] Deployment of the MX spectrometer, Hill, J. M.; Lesser, M. P., Instrumentation in astronomy VI, 1986
[6] Multi-Object Spectroscopy with Optical Fibres at the ESO 3.60m Prime focus in a One Degree field: The MEFOS Instrument, Guerin et al., Fiber Optics in Astronomy II, 1993
[7] The Anglo-Australian Observatory’s 2dF Facility by Lewis et al., astro-ph/0202175
