多視場電視觀瞄具的光軸調(diào)校技術(shù)

張錦亮，王章利，姜 峰，肖應(yīng)玉

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

電視觀瞄具是白天進行實時觀察場景的重要觀瞄手段之一，在機載、艦載、車載等軍事和非軍事方面都有廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)在遠、近距離和大范圍條件下對目標進行探測、識別和瞄準，定焦電視觀瞄具將短焦物鏡、長焦攝遠物鏡進行組合使用形成大視場、中視場和小視場等多個視場，通過切換視場視頻可以同時獲得足夠大的視場和像面。當電視觀瞄具安裝在工程系統(tǒng)中，往往要求光軸與安裝基準面成某一角度（如垂直、平行）或與其他光軸（如激光束、紅外光軸、各視場光軸）平行。各視場光軸的平行性和穩(wěn)定性是電視觀瞄具的重要性能指標之一。由于光學(xué)、機械零部件的加工和裝配均存在誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)的實際光軸與理想狀態(tài)總會存在一定偏差，往往需要通過部件或整機裝調(diào)過程中的光軸調(diào)校和修正來進行消除。此外，最終調(diào)校和修正的光軸必須經(jīng)受高低溫、沖擊振動等復(fù)雜環(huán)境的考驗，始終保持穩(wěn)定不變。

電視觀瞄具在光軸裝調(diào)過程中，需要直觀和精確地檢測出偏差的方向和大小，科學(xué)指導(dǎo)光軸的調(diào)校和修正。否則，光軸調(diào)校和修正過程將非常盲目和繁復(fù)。以某多視場電視觀瞄具為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)的光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，通過調(diào)校原理分析，建立統(tǒng)一的裝調(diào)基準，提出了一整套優(yōu)化的裝調(diào)技術(shù)方案，使光軸平行性和穩(wěn)定性誤差控制在允許范圍內(nèi)。

1 系統(tǒng)組成

某電視觀瞄具由中視場組件、小視場組件、殼體及電子單元等組成。中、小視場的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，中視場物鏡前方設(shè)置有雙光楔微調(diào)機構(gòu)。系統(tǒng)要求中視場與小視場光軸嚴格平行，誤差允許范圍0.15mrad。此外，小視場光軸與電視觀瞄具殼體2個正交的安裝基準面平行，并且在環(huán)境試驗后光軸保持穩(wěn)定，允差不大于0.05mrad。

圖1 某電視觀瞄具光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TV sight optical system

該系統(tǒng)光軸調(diào)校的關(guān)鍵難點在于：1）光軸之間以及光軸與機械安裝基準面之間具有相互位置關(guān)系，須建立統(tǒng)一的裝調(diào)基準，減小轉(zhuǎn)接過渡誤差；2）調(diào)整量不能超出雙光楔的調(diào)節(jié)范圍，雙光楔對光軸的偏轉(zhuǎn)相互影響，使得調(diào)校過程比較復(fù)雜，需要掌握雙光楔調(diào)校的基本規(guī)律；3）須保證光軸相對于殼體位置不發(fā)生變化，經(jīng)受高低溫、振動沖擊等環(huán)境試驗的考驗，光軸始終保持不變。

2 光軸調(diào)校技術(shù)方案

以電視觀瞄具各視場攝取遠方景物獲得的像面中心為其光軸，為解決該電視觀瞄具光軸平行性和穩(wěn)定性的裝調(diào)與測量技術(shù)問題，設(shè)計和搭建了一種結(jié)構(gòu)簡單、儀器架設(shè)方便、對準精度高、無安裝重復(fù)誤差的光軸裝調(diào)裝置。圖2所示架設(shè)產(chǎn)品和儀器，將調(diào)試工裝架置于可調(diào)平臺上，正對于平行光管的前方，反射鏡粘接在調(diào)試支架的一個側(cè)面上，鏡面與調(diào)試工裝架2個基面C、D相互正交；電視觀瞄具與監(jiān)視器、電十字發(fā)生器通過數(shù)據(jù)線相連，其安裝基準面分別緊貼調(diào)試工裝架的2個基面C、D。采取的調(diào)校技術(shù)方案如下：

圖2 光軸調(diào)校示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical axis adjustment

1）微量調(diào)整調(diào)試工裝架和可調(diào)平臺底部的3個調(diào)節(jié)手輪，使平行光管的光軸與反射鏡自準直，通過目鏡觀察到自準像與原十字相重合。

2）接通電視觀瞄具電源，此時監(jiān)視器上顯示有2個十字，其中一個為電十字發(fā)生器的電十字線，另一個為平行光管的十字線經(jīng)電視觀瞄具所成的十字像。

3）調(diào)校小視場光軸與安裝基準面的平行性：電視觀瞄具切換至小視場，當光軸與基面不平行時，電十字與十字像不重合，2個十字線偏離的角度就是小視場光軸與安裝基準面的平行性誤差，通過移動CCD靶面位置或整體擺動小視場組件，調(diào)整光軸直至平行性在要求的范圍即可。

4）調(diào)校中視場與小視場光軸的平行性：將電視觀瞄具切換至小視場狀態(tài)，使平行光管經(jīng)CCD所成的十字像與電十字重合，再切換到中視場，此時十字像與電十字偏離的角度就是中視場與小視場光軸平行性誤差。通過移動CCD靶面位置或整體擺動中視場組件，初步將光軸平行性調(diào)整至在一定范圍。

5）通過中視場鏡組的雙光楔機構(gòu)精確調(diào)校光軸，直至平行性在系統(tǒng)要求的范圍。

6）經(jīng)過穩(wěn)定處理后，將電視觀瞄具與調(diào)試工裝架一起進行高低溫、振動沖擊試驗等，試驗前后測量十字像與電十字的變化量，即完成了光軸穩(wěn)定性的測量。

在上述調(diào)校裝置和技術(shù)方案中，調(diào)試工裝架利用側(cè)面粘貼的平面反射鏡將電視觀瞄具的安裝基準面轉(zhuǎn)換到平面反射鏡的鏡面上，通過自準直又將基準轉(zhuǎn)換到平行光管的光軸上，得到了較高的對準精度。與可調(diào)平臺組合使用，通過平臺底部的3個螺紋調(diào)節(jié)座，可實現(xiàn)自準直操作時高度和傾角的微量調(diào)整控制。產(chǎn)品一次安裝即可，利用調(diào)試工裝架底部的固定孔，可直接與試驗臺連接，裝調(diào)、測量、試驗前后不需要反復(fù)拆裝，避免了多次安裝的誤差。電視觀瞄具中、小視場光軸的平行性，光軸與安裝基準面的平行性以及光軸穩(wěn)定性的裝調(diào)和測量，均在統(tǒng)一的基準（平行光管的光軸）下進行。

但在實際調(diào)校光軸過程中，特別是通過雙光楔機構(gòu)精確微調(diào)光軸時，我們常常遇到很難或根本調(diào)不到產(chǎn)品所要求精度范圍的情況。為此，需要利用雙光楔調(diào)校原理進行分析及優(yōu)化。

3 光軸調(diào)校原理

在光軸調(diào)校過程中，由于空間位置和操作工具的限制，CCD靶面和鏡筒的調(diào)整難以實現(xiàn)光軸精確微調(diào)。因此，對于中視場光軸與小視場光軸平行性，可利用雙光楔對光軸進行精調(diào)。雙光楔調(diào)校原理見圖3。

圖3 光楔示意圖Fig.3 Schematic diagram of double optical wedges

如圖3（a）所示，由于光楔的楔角α很小，當光線的入射角很小時，出射角也很小，偏向角δ滿足：δ＝（n－1）×α。對于如圖3（b）所示的雙光楔，楔角均為α，相隔一微小間隙，入射光線穿過光楔的前表面后經(jīng)過一系列的折射，從后表面出射發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當2個光楔主截面平行同向放置如圖3（c）所示時，所產(chǎn)生的偏向角為2δ，當1個光楔繞光軸旋轉(zhuǎn)180°時，所產(chǎn)生的偏向角為零；當2個光楔繞光軸相對旋轉(zhuǎn)時，則2個光楔產(chǎn)生的總偏向角隨轉(zhuǎn)角而變化。

實際上，光楔的楔角加工存在微小誤差（一般為15″～30″），因此第1、第2光楔產(chǎn)生偏向角并不相等。如圖4（a）所示，假設(shè)2個光楔偏向角分別為δ1和δ2，初始位置均為最厚端頂點在ox軸上。當?shù)?光楔繞光軸oz旋轉(zhuǎn)角度θ至oN，平行光管分劃中心在物鏡（焦距為f′）像方焦面上的等效中心坐標（Ax，Ay）為

式中：δ1為第1個光楔的偏向角；θ為第1個光楔繞光軸旋轉(zhuǎn)的角度；f′為平行光管物鏡的焦距。

圖4 平行光管物方分劃像坐標Fig.4 Object space division coordinates of collimator

同理，當?shù)?個光楔繞光軸oz旋轉(zhuǎn)β至oM，平行光管分劃中心在物鏡像方焦面上的等效中心坐標（Bx，By）為

式中：δ2為第1個光楔的偏向角；β為第1個光楔繞光軸旋轉(zhuǎn)的角度；f′為平行光管物鏡的焦距。

當分劃中心經(jīng)過第1和第2個光楔時，在物鏡像方焦面上總的等效中心坐標（Cx，Cy）為

式中：δ1和δ2為第1、第2個光楔的偏向角；θ和β為第1和第2個光楔繞光軸旋轉(zhuǎn)的角度；f′為平行光管物鏡的焦距。

從（3）式可以看出，當需要將分劃中心像（光軸）調(diào)至坐標（Cx，Cy）時，只需分別將第1個光楔旋轉(zhuǎn)θ，第2個光楔旋轉(zhuǎn)β即可。但調(diào)校并非在任何情況下均可實現(xiàn)，下面分析（1）式有解的條件：

令P＝f′tanδ1，Q＝f′tanδ，（3）式利用三角函數(shù)公式可化簡為

（4）式有解的條件為

因此，從（5）式可以看出，有解條件如圖4（b）所示，所要調(diào)校平行光管分劃中心像的等效坐標（Cx，Cy）必須落在半徑為R1＝｜f′tanδ1－f′tanδ2｜和R2＝f′tanδ1＋f′tanδ2的圓環(huán)之內(nèi)。

4 調(diào)校和測試結(jié)果

通過分析雙光楔光軸調(diào)校原理，我們得到啟示，調(diào)校必須在R1和R2圓環(huán)范圍內(nèi)，盲目地調(diào)校不能滿足要求。因此，須對裝調(diào)技術(shù)方案中的雙光楔調(diào)校過程進一步優(yōu)化：1）為了減小內(nèi)環(huán)R1，2個光楔的楔角差別不能太大，應(yīng)盡可能相等。裝調(diào)過程中，可以通過選配的方式，測量挑選楔角相等的光楔進行配對使用。2）為了實現(xiàn)將光軸精確調(diào)整到外環(huán)R2以內(nèi)，在裝調(diào)過程中須將中視場與小視場光軸平行性的粗調(diào)誤差控制在R2以內(nèi)。否則，精確調(diào)校精度將無法實現(xiàn)。

在光軸調(diào)校原理和技術(shù)方案的指導(dǎo)下，經(jīng)過實際裝調(diào)和測試，該電視觀瞄具中視場光軸與小視場光軸的平行性可以達到0.1mrad，小視場光軸與安裝基準面的平行性滿足要求。在高低溫、沖擊振動試驗后，小視場光軸的穩(wěn)定性優(yōu)于0.05mrad。

5 結(jié)論

根據(jù)某電視觀瞄具的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對光軸平行性和穩(wěn)定性進行了調(diào)校，確定了調(diào)校技術(shù)方案，設(shè)計和搭建了光軸裝調(diào)裝置，通過對雙光楔光軸調(diào)校原理的分析，對調(diào)校方案進行了優(yōu)化。在光軸調(diào)校原理和技術(shù)方案的指導(dǎo)下，經(jīng)過裝調(diào)、測試驗證，調(diào)校原理和調(diào)校裝置可以滿足該電視觀瞄具中視場與小視場光軸平行性、小視場光軸與安裝基準面的平行、小視場光軸穩(wěn)定性等技術(shù)指標的調(diào)校與測試，可以準確、方便地實現(xiàn)將產(chǎn)品精度控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。中視場光軸與小視場光軸的平行性可以達到0.1mrad，小視場光軸的穩(wěn)定性優(yōu)于0.05mrad。

［1］ 張雛，周冰，沈?qū)W舉，段曉峰.精確校正激光測距儀三光軸平行的理論計算方法研究［J］.光學(xué)精密工程，2002，10（6）：650-653.ZHANG Chu，ZHOU Bing，SHEN Xue-ju，et al.Study of the calculation method for accurately adjusting laser-range-finder's three-optic-axes to parallel to each other［J］.Opt.Precision Eng.，2002，10（6）：650-653.（in Chinese）

［2］ 楊海成，王章利.潛望式觀瞄系統(tǒng)的瞄準軸系誤差分析與調(diào)校［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34（2）：193-197.YANG Hai-cheng，WANG Zhang-li.Analysis and adjustment of aiming axis error for panoramic periscopic system［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（2）：193-197.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 段學(xué)霆.共軸光學(xué)系統(tǒng)計算機輔助光軸一致性裝調(diào)研究［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.DUAN Xue-ting.Research on consistency assembling and adjustment of coaxial optical system by the aid of computer［D］.Beijing：Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2006.（in Chinese with an English abstract）

［4］ 韓軍，王晶，陳文建.空間旋轉(zhuǎn)多光譜多光軸校準技術(shù)研究［J］.激光與紅外，2009，39（4）：415-418.HAN Jun，WANG Jing，CHEN Wen-jian.Research of calibration technology of spatial rotative multispectral and multibeam axes［J］.Laser ＆Infrared，2009，39（4）：415-418.（in Chinese with an English abstract）

［5］ 呂溥，韓國華.雙光楔在激光測距機光軸校正中的應(yīng)用［J］.激光技術(shù)，2012，36（2）：151-153.LV Pu，HAN Guo-hua.Application of dual wedges in optical axis alignment for laser rangefinders［J］.Laser Technology，2012，36（2）：151-153.（in Chinese with an English abstract）

［6］ 陳文建，鄭寶忠，楊建莉.多光譜多光軸自動校準技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2004，25（1）：60-64.CHEN Wen-jian，ZHENG Bao-zhong，YANG Jianli.Auto collimating technique of multispect ral and multibeam Axes［J］.Journal of Applied Optics，2004，25 （1）：60-64.（in Chinese with an English abstract）

［7］ 姜峰，白波，張錦亮，等.光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（2）：156-158.JIANG Feng，BAI Bo，ZHANG Jin-liang，et al.Integration technology of stabilized electro-optical sight system［J］.Journal of Applied Optics，2007，28（2）：156-158.（in Chinese with an English abstract）

［8］ 陳文建，梁慶仟，蔣蕭村.穩(wěn)瞄慣導(dǎo)周視觀瞄鏡的設(shè)計 ［J］.應(yīng) 用 光 學(xué)，2007，28（5）：573-577.CHEN Wen-jian，LIANG Qing－qian，JIANG Xiao-cun.Design of stabilized panoramic sight with inertial navigation［J］.Journal of Applied Optics，2007，28（5）：573-577.（in Chinese with an English abstract）

［9］ 黃靜，劉朝暉，折文集，等.室內(nèi)多波段光軸一致性測試系統(tǒng)的設(shè)計［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（5）：663-666.HUANG Jing，LIU Zhao-hui，SHE Wen-ji，et al.Design of lab test system for bore sight of multi-channel optical axes［J］.Journal of Applied Optics，2007，28（5）：663-666.（in Chinese with an English abstract）

［10］ 張學(xué)敏，魏儒義，侯曉華，段嘉友，李華.基于光學(xué)定心加工的道威棱鏡裝配方法［J］.光電工程，2011，38（4）：141-144.ZHANG Xue-min，WEI Ru-yi，HOU Xiao-hua，et al.Method of dove lens assembling and adjustment based on optical alignment machining［J］.Applied Optics，201，38（4）：141-144.（in Chinese with an English abstract）