激光校准器校准——可以如此简单

□ 武汉市第二中学 张亦弛

激光校准器校准
——可以如此简单

□ 武汉市第二中学 张亦弛

作为一名天文爱好者，长期以来，笔者在使用牛顿式反射望远镜进行观星时，常常受到激光校准器误差的困扰，经反复实验、多次实践并加以总结，现将一种简单、实用的校准方法与读者分享。

1.前言

牛顿式反射望远镜结构简单，容易获得较大的口径，是天文爱好者尤其是目视爱好者最广泛使用的望远镜类型之一。但是，由于运输、搬运、架设等因素，导致牛顿式反射望远镜的光轴出现偏移，每次使用前都需要进行校准，否则将影响望远镜性能的发挥。目前，主要的光轴校准方法有校准目镜法、激光校准器法、星点法等。其中激光校准器法简单、直观，可单人在夜间完成，是最简单快捷的方法。但由于激光校准器自身的精度不稳定，导致应用的实际效果大打折扣。

2.误差及其校准原理

激光校准器的基本构造包括金属圆筒、激光器以及紧固/校准螺丝三个部分（如图1所示），日常使用时利用紧固/校准螺丝保持、调整激光器与金属圆筒的同轴性。由于受机械精度、震动等因素的影响，这种同轴性需要经常检验和调整，使激光器光轴与金属圆筒中轴线重合。

基于这种构造，在投影平面上产生的误差有两种情况，即光轴与中轴相交或平行（如图2）。无论是出现哪种情况的误差，当激光器绕中轴旋转时，投射出的光斑都会形成一个以中轴线与投影面交点为中心的圆。如果我们能够消除这个“圆”，使光斑与“圆心”重合，困扰我们的校准问题也就解决了。这就是校准的基本原理。根据这个基本原理，校准装备包括一个基座和一个投影面，其中基座用于支撑激光器并使其能够稳定地绕中轴线旋转，投影面则用来显示光斑的轨迹。基座和投影面之间有一段距离，称为基线，假设基线长度为L。第一种误差（相交）形成的投影圆半径为：R = Ltanα，即基线越长，R越大，误差放大的程度越高，系统的校准精度越高；第二种误差（平行）形成的投影圆半径为R=d，即误差的放大程度与基线长短无关，但第二种误差在出现微小的扰动（如校准螺丝微小的旋转）时就会转变为第一种误差，因此可以认为在现实中第二种误差不存在。综上，基线的长度决定了校准的精度。在激光校准器工作时，校准器插入调焦座，置于焦点附近，激光照射到主镜后再返回激光器，整个工作光路长度大约为2f（f为反射镜焦距），因此基线L的长度不应小于2f，才能保障校准的基本精度要求。

图1 激光校准器的基本构造

图2 误差的两种表现形式

3.校准装备制作

基座

基座是整个校准装备的重要组成部分，其作用是使激光器能稳定地绕中轴线旋转，笔者采用了简易V形支撑结构。如图3所示，该基座由一块木板和四颗铁钉构成的两个V字形支撑组成。V字形支撑的制作要把握两个要点：一是铁钉要稍微粗些，以保证刚性；二是两个V字形结构的间距要根据自己的激光器结构把握好，应使V字结构的某个部位能够贴合激光器的特定部位（如图3中用左上铁钉贴合螺纹圆环），避免在旋转过程中出现前后位移。或者在侧前方补上一颗钉子，使得激光器旋转时与其贴合。这里要特别注意，在旋转时激光校准器不能出现前后位移。

图3 校准器基座

投影面

投影面的制作更为简单，只需在墙面上贴一张白纸作为靶纸即可，尽可能保证纸张的平整。

装备检验

准备就绪后，需对整个校准装备自身进行检验。校准装备的检验也很简单：

1、标记激光校准器在基座上的位置，打开激光器，在投影面上记录其光斑位置。

2、在基座上旋转激光器一周，回到原来标记的位置，检验光斑是否还能还原到先前的位置。如果无法回到原来的位置，可能是由V字形结构刚性不够、旋转时基座出现了位移、旋转时激光器出现了前后位移等原因造成的，需要仔细查找原因并进行调整。

经过上述检验后，校准装备就制作完毕。

4.激光校准器校准

校准装备制作完成后，就可以实施激光核准器的校准了。

1.固定基座

在底座上贴点双面胶，粘到桌子上，避免不经意碰撞导致位移。

2.贴投影面

打开激光器，旋转，根据光斑的位置在墙面上贴好投影靶纸。

3.记录误差轨迹

旋转激光器，在靶纸上记录投射点（如图4，是笔者激光器的初始误差）。

图4 靶纸上的圆形轨迹

4.调整校准

图5 校准螺丝的位置关系

以圆形轨迹的圆心（粗略估计即可）作为校准的目标点。然后，调整激光器的三颗校准螺丝使光斑投射到目标点上。校准螺丝的使用也有一定的技巧，不能漫无边际地乱拧。首先，旋转激光器使其中一颗校准螺丝大致处于垂直于水平面的状态（如图5所示），这时光斑相对于目标点的位置，就可反映出螺丝调节的方向。如果光斑偏上，那就需要松上螺丝，紧左螺丝和右螺丝；如果光斑偏左，就松左螺丝，紧右螺丝。如果偏右，就松右螺丝，紧左螺丝。把握松和紧的程度也需一些技巧，如果偏差比较大，就先松再紧，而且紧的时候留点余地，避免紧过度了不易回头；如果偏差已经比较小，就尽量不要松相应的调节螺丝。

5.重复步骤3和4，直至旋转激光器时光斑位置不变。

在实际校准时，要做到光斑完全不动几乎不可能，因为光斑本身是一个不规则的面，当精度达到一定的程度后，我们追求的是圆心位于这个面内，这时候就很难再进一步校准，这个基线长度下的校准就到此为止了。所以这个光斑越圆、越小，就越有助于校准。高质量的激光器可以做到1mm光斑，有利于更好的校准。

上述校准方法经笔者多次试验和实际应用，具有简单、快捷、成本低廉的特点，校准效果较好，可大大提高校准效率，希望能与同好交流并为爱好者提供帮助。

（责任编辑 张恩红）