瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀*

朱 昱， 王 成， 倪紅軍

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響瞄準(zhǔn)鏡的性能[1,2]。最初瞄準(zhǔn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件(如透鏡、棱鏡、反射鏡等)按照一定次序組合成的具有光學(xué)功能的系統(tǒng)，之后結(jié)合多種紅外技術(shù)、光電技術(shù)和傳感技術(shù)演變?yōu)槎喙δ芄鈱W(xué)系統(tǒng)，按其發(fā)展階段可分為光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)、激光測距光學(xué)系統(tǒng)、變焦光電光學(xué)系統(tǒng)等。當(dāng)前，瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的研究愈來愈受到重視，一方面可以提高瞄準(zhǔn)鏡的綜合性能，另一方面對于我國武器裝備的發(fā)展具有重要意義。目前，結(jié)合高新技術(shù)(如微光、紅外、激光等技術(shù))對瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，研制出了能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、高精度定位、全天候觀測、激光測距、實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)裙δ艿木C合瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)[3～5]。

本文綜述了不同發(fā)展階段的光學(xué)系統(tǒng)在瞄準(zhǔn)鏡領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用。

1 白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)

早期的白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)是在開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，應(yīng)用物理光學(xué)、幾何光學(xué)原理以及簡單的電路、光源等，對遠(yuǎn)處目標(biāo)進(jìn)行放大識別達(dá)到精確瞄準(zhǔn)射擊的目的。當(dāng)時(shí)，由于科學(xué)技術(shù)的限制，白光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)同樣也存在著不足，如,射手的視場受局限、沒有適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵省⒁讚p壞等。研究者們在早期白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上不斷研制出一系列性能優(yōu)異的瞄準(zhǔn)鏡[6]。

20世紀(jì)初，英國學(xué)者研制出L9A1式瞄準(zhǔn)鏡，其光學(xué)系統(tǒng)采用氣體氚作為可調(diào)光源照亮分劃板來達(dá)到目標(biāo)與瞄準(zhǔn)分劃有合適的亮度比，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行4倍放大。如今，已經(jīng)研制出由物鏡組、分劃板、目鏡組、變倍轉(zhuǎn)像組構(gòu)成的白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)手輪的每一檔采用小調(diào)節(jié)量設(shè)計(jì)，每組透鏡采用高級光學(xué)材料，物鏡采用調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，光學(xué)元件采用高透過率膜設(shè)計(jì)，不僅使瞄準(zhǔn)鏡能夠消除視差，還具有高分辨力和高瞄準(zhǔn)精度[7]。

目前，世界各國輕武器普遍裝備有機(jī)械瞄準(zhǔn)具，但重點(diǎn)裝備的仍是普通光學(xué)瞄準(zhǔn)具，因此，仍有學(xué)者對白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的性能進(jìn)行進(jìn)一步的提升。未來白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)朝著系統(tǒng)智能化、結(jié)構(gòu)簡單化、功能全面化方向發(fā)展，有利于瞄準(zhǔn)鏡對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行更好的觀察瞄準(zhǔn)。

2 紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)

紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)目標(biāo)各個(gè)部分之間的熱輻射差或溫差來實(shí)現(xiàn)探測和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其觀察效果不受環(huán)境條件的制約，且可全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行偵察。相比于白光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如可穿透煙霧對目標(biāo)進(jìn)行觀察，能識別偽裝，隱蔽性好等[8～12]。因此，熱成像瞄準(zhǔn)鏡紅外光學(xué)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

美國陸軍夜視和電子光學(xué)局開發(fā)的一種采用模塊式結(jié)構(gòu)的紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，可用于防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、周邊檢測器、遙控飛行器監(jiān)視器等。該系統(tǒng)采用8個(gè)大規(guī)模集成電路使瞄準(zhǔn)鏡的質(zhì)量大幅度減少，采用PEEK材料的衍射光學(xué)透鏡進(jìn)一步減輕了系統(tǒng)質(zhì)量、降低了系統(tǒng)成本，可實(shí)現(xiàn)對2 200 m外的目標(biāo)進(jìn)行偵察[13]。

王堃等人[14]利用透鏡焦距隨溫度不同而變化的規(guī)律設(shè)計(jì)了在8～12 μm波段工作的折/衍混合無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)滿足輕量小型的要求，光學(xué)系統(tǒng)采用一次成像技術(shù)，由4片物鏡構(gòu)成，光學(xué)材料組合為：Ge-ZnS-Ge-ZnSe，其中兩個(gè)表面采用高次非球面，一個(gè)表面為衍射面。結(jié)果表明：紅外系統(tǒng)在40～60 ℃溫度范圍內(nèi)不僅能在較寬溫度范圍內(nèi)得到接近衍射成像質(zhì)量，而且與采用球面透鏡的光學(xué)系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，符合無熱差要求。陳瀟等人[15]對長波紅外大視場大相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用320×240非制冷長波紅外焦平面陣列探測器，設(shè)計(jì)了一個(gè)由3片非球面鍺鏡組成、工作波段為8～12 μm、焦距為6 mm的紅外物鏡。結(jié)果表明，光學(xué)系統(tǒng)在滿足光焦度要求的前提下又消除了軸向色差，采用反遠(yuǎn)距型結(jié)構(gòu)使全視場角可達(dá)到160°，用于大范圍目標(biāo)的觀察；非球面的使用，使光學(xué)系統(tǒng)照度均勻、結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

還有學(xué)者對非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究。付躍剛等人[16]結(jié)合紅外與變倍特性完成了紅外雙視場光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。紅外光學(xué)系統(tǒng)采用德國AIM公司的長波非制冷探測器接收紅外信號，由6片球面型透鏡組成，紅外材料選擇為Ge，ZnSe及AMTir3，系統(tǒng)總長為295 mm，最大元件口徑為76 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅外雙視場瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)在-40～+60 ℃范圍內(nèi)均有良好的成像質(zhì)量，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。孟劍奇[17]為了研制高性能、高像質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)的同時(shí)，盡可能減小系統(tǒng)的體積、質(zhì)量，設(shè)計(jì)出了6倍變焦中波雙視場紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)利用光學(xué)鏡組沿軸快速平行移動(dòng)實(shí)現(xiàn)大小視場切換，引入衍射光學(xué)和非球面光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)盡可能減少光學(xué)零件的數(shù)量和大小。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局采用光機(jī)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，在透鏡間引入兩個(gè)非球面和非球面基地基諾衍射表面來優(yōu)化系統(tǒng)的色差及像差。研究表明，紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)在3.7～4.8 μm波段內(nèi)可實(shí)現(xiàn)100 %冷光闌效率，系統(tǒng)像差和色差得到優(yōu)化，且在-45～+55 ℃的溫度范圍內(nèi)仍然能清晰成像。相比于光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)可全天候觀測目標(biāo)，采用新型材料及非球面的鏡片設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低了系統(tǒng)質(zhì)量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量好、瞄準(zhǔn)精度高等優(yōu)點(diǎn)，使瞄準(zhǔn)裝置的綜合性能得到大幅度提升。

紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)是最受關(guān)注、研究最多的被動(dòng)夜視紅外技術(shù)，具有便于攜帶、可靠性好、功耗造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。目前，如何采用一定的補(bǔ)償方法或者特殊設(shè)計(jì)使光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量不變化或者變化很小是紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，也是國內(nèi)外學(xué)者亟待研究、解決的難題。

3 激光測距光學(xué)系統(tǒng)

激光測距光學(xué)系統(tǒng)是對計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)等多門技術(shù)的綜合運(yùn)用，利用射向目標(biāo)的激光脈沖或連續(xù)波激光束來測量目標(biāo)距離。激光測距光學(xué)系統(tǒng)與一般瞄準(zhǔn)分劃測距系統(tǒng)技術(shù)相比較有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢：1)測距精度高，激光測距系統(tǒng)精度不受被測距離的影響，且具有測程遠(yuǎn)、密封性好、可靠性高等特點(diǎn)；2)具有很高的分辨力和很強(qiáng)的抗干擾能力，并且不受微波在地面附近產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的影響及地面物體的干擾；3)安裝調(diào)整方便，穩(wěn)定性高[18～20]。

由于激光測距系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，國內(nèi)外諸多相關(guān)機(jī)構(gòu)都開始著手研究激光測距系統(tǒng)的相關(guān)工作[21]。奧地利斯瓦洛夫斯基光學(xué)公司研制出LRS激光測距瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)系統(tǒng)的目鏡和物鏡之間放置了一個(gè)特殊的分束棱鏡，使瞄準(zhǔn)鏡的光軸和激光測距儀的光軸重合，激光從瞄準(zhǔn)鏡的物鏡發(fā)射出去，并通過同一物鏡接收反射回來的激光脈沖。結(jié)果表明，光學(xué)系統(tǒng)測距范圍為600 m，測距精度為±1 m，可在-10～50 ℃范圍內(nèi)工作，具有質(zhì)量輕、測距速度快、便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。挪威研制出西姆拉德激光測距光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)裝有計(jì)算機(jī)及二極管激光測距儀，有多種彈藥彈道預(yù)編的程序。研究發(fā)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)視場為13.6°，瞄準(zhǔn)精度為±0.5密位(1密位=0.06°)，可提供即時(shí)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，且靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離均會(huì)顯示在顯示板上，可更好地適應(yīng)戰(zhàn)場條件的變化。加拿大研制出裝有計(jì)算機(jī)的激光光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，由激光測距儀、電子光學(xué)模塊及彈道計(jì)算組裝而成，且裝有武器側(cè)傾傳感器。結(jié)果表明，激光瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)測距范圍在4 km內(nèi)，具有牢固、質(zhì)量輕、易于操作，提高遠(yuǎn)射程射擊命中率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，不僅可以改善武器系統(tǒng)的性能而且提供了一種低費(fèi)效比方法來改進(jìn)在役武器系統(tǒng)，以適應(yīng)作戰(zhàn)要求的變化[22～24]。

黃小平[25]通過在瞄準(zhǔn)鏡上安裝激光發(fā)射器，在白光瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究出一種激光測距光學(xué)系統(tǒng)，研究系統(tǒng)成像的質(zhì)量及光能的損失、透過率問題。結(jié)果表明，在光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)中安裝2塊分光棱鏡，激光發(fā)射器連接在處理單元上時(shí)，新型激光測距光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)激光測距的數(shù)值在視場中顯示，且透過率較高，光能損失很小，成像質(zhì)量得到改善。相比于可全天候工作的紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)，激光測距光學(xué)系統(tǒng)具有測距范圍大、分辨率高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

激光測距瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)代軍事打擊目標(biāo)距離的精確測量，具有很高的精度和良好的抗干擾性。目前，激光測距光學(xué)系統(tǒng)正朝著自動(dòng)化、智能化、小型化方向發(fā)展，將更加廣泛應(yīng)用于輕武器瞄準(zhǔn)裝置。

4 紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)

紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)是在可見光變焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可實(shí)現(xiàn)在變焦過程中像面位置保持不變，且像質(zhì)保持良好的光學(xué)系統(tǒng)，可兼顧對目標(biāo)的大視場搜索和小視場瞄準(zhǔn)跟蹤要求[26～31]。與可見光波段光學(xué)系統(tǒng)相比，紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：1)可全天候工作；2)具有良好的煙霧、塵埃穿透能力；3)具有長距離探測能力及揭示偽裝能力[32～35]。

Zhang T等人[36]采用二次成像系統(tǒng)及變焦物鏡設(shè)計(jì)了一種3.7～4.8 μm波段的透射式紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)，其變倍比為6，最小焦距為22 mm。該系統(tǒng)由7片材料為鍺、硅的透鏡組成，利用2個(gè)平面反射鏡光路折疊來減小尺寸，引入非球面來消除軸外像差，且探測器敏感元接受面的能量集中度大于80 %，因此，系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量。王巍等人[37]采用機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆椒?，引入非球面和衍射面，設(shè)計(jì)了在8～12 μm波段工作的由5片采用負(fù)組補(bǔ)償型式透鏡組成的折射式紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。結(jié)果表明，系統(tǒng)在變焦過程中相對孔徑保持不變，變倍比為3︰1，焦距為30～150 mm，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化、成像質(zhì)量進(jìn)一步提高。趙坤等人[38]針對紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)短焦部分冷反射嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了一種雙孔徑大變倍比紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)，短焦和長焦分為2個(gè)孔徑，短焦的前端主物鏡通過一個(gè)45°反射鏡使光路轉(zhuǎn)折，短焦切換組采用翻轉(zhuǎn)變倍機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變倍，同時(shí)與長焦系統(tǒng)共用后端部分。結(jié)果表明，雙孔徑紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)變倍比為10︰1，焦距為30～300 mm，具有100 %冷光闌效率，像質(zhì)好、變倍比大、結(jié)構(gòu)緊湊、變焦時(shí)間短等特點(diǎn)。

紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)在焦距連續(xù)變化的過程中不丟失目標(biāo)信息且保持像質(zhì)良好，對進(jìn)一步提升瞄準(zhǔn)鏡的綜合性能十分有利。在今后紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展中，多采用新型玻璃、非球面等技術(shù)增大孔徑；采用人造晶體、多種透鏡組合、多種變焦形式提高變倍比；運(yùn)用光闌移動(dòng)、高折射率非球面化玻璃面型等使系統(tǒng)小型化；綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)與高精度數(shù)控機(jī)床技術(shù)完成透鏡凸輪曲線設(shè)計(jì)來提高成像質(zhì)量。

5 結(jié)束語

隨著瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)研究的不斷深入，輕武器瞄準(zhǔn)裝置的性能也會(huì)得到不斷發(fā)展。為了適應(yīng)未來復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的需要，達(dá)到全天候的精確搜索、瞄準(zhǔn)、射擊的目的，國內(nèi)外學(xué)者積極探索光電綜合瞄準(zhǔn)鏡，各種各樣的瞄準(zhǔn)鏡都應(yīng)用了光學(xué)、光電技術(shù)。為了進(jìn)一步拓展光學(xué)系統(tǒng)在瞄準(zhǔn)鏡中的應(yīng)用，還需要圍繞以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步的研究：

1)研制結(jié)構(gòu)簡單、體積小、智能化、高靈敏度及適用范圍大的全天候瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)。

2)深入研究由晝夜光學(xué)系統(tǒng)、測距系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成的綜合瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，綜合應(yīng)用多種傳感技術(shù)和光電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)定位、彈道解算、信息傳輸及環(huán)境感知等，以便為發(fā)展和軍事應(yīng)用提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

3)瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)朝著全方面發(fā)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)高精度、全天候觀測及快速瞄準(zhǔn)，而且應(yīng)使瞄準(zhǔn)裝置具有高機(jī)動(dòng)性能、隱身性能，使武器裝備被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)和鎖定的概率大幅下降，獲得壓倒性的不對稱優(yōu)勢；同時(shí)，還應(yīng)朝著智能自動(dòng)檢測自修復(fù)的方向發(fā)展，使武器裝備維修保障成本大幅度縮減，作戰(zhàn)效能大幅上升。

總之，瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)正處在快速發(fā)展階段，未來要不斷地結(jié)合多種學(xué)科知識改進(jìn)瞄準(zhǔn)鏡的性能，以期使武器裝備發(fā)揮更大的效益。