壓制觀瞄系統(tǒng)多光譜光軸平行性調(diào)校技術(shù)研究

孫毓凱，劉召慶，王 晶，王小怡

(1. 總參陸航部裝備發(fā)展辦公室，北京 100012; 2. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

引言

多光軸光學(xué)系統(tǒng)平行性的測試方法有很多種，常見的有：室內(nèi)測試法、野外測試法、單一系統(tǒng)測試法和組合系統(tǒng)測試法。室內(nèi)測試法常采用大口徑復(fù)消色平行光管對光學(xué)系統(tǒng)的平行性進(jìn)行調(diào)校和檢測，該方法測試原理簡單，但大口徑平行光管的生產(chǎn)較困難，成本較高。野外測試法(如偵察車的多光軸偵察系統(tǒng))基本思路是將測角轉(zhuǎn)化為測距，再根據(jù)各組合的特點(diǎn)和原理對光軸進(jìn)行測試，該方法適合(類似裝甲偵察車系統(tǒng))整體測試。單一系統(tǒng)的多光軸測試主要是對激光測距機(jī)的三光軸平行性的測試，激光測距機(jī)中常通過撥轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的偏心環(huán)來實(shí)現(xiàn)平行性的校正。組合系統(tǒng)測試是針對單一系統(tǒng)的多光軸測試而言的，一般的測試儀器都是將各光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械組合，然后再測試各光軸的平行性[1-3]。針對壓制觀瞄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，本文采用雙光楔旋轉(zhuǎn)的方法對系統(tǒng)光軸平行性進(jìn)行調(diào)校。

1 系統(tǒng)調(diào)校原理

本文涉及的壓制觀瞄系統(tǒng)具有可見光光軸、激光光軸以及回轉(zhuǎn)機(jī)械軸，如圖1所示，由于系統(tǒng)基于回轉(zhuǎn)光具座，通過光具座的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)，在保證回轉(zhuǎn)光具座機(jī)械軸鉛垂的前提下，以鉛垂的機(jī)械軸為調(diào)校的基準(zhǔn)，即保證可見光軸、激光光軸與回轉(zhuǎn)光具座的機(jī)械軸同心。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，在生產(chǎn)過程中首先采用攝像機(jī)模擬非可見且對人眼有危害的激光器，其次保證回轉(zhuǎn)光具座的鉛垂軸與基準(zhǔn)攝像機(jī)的中心軸同心，即在結(jié)構(gòu)上保證系統(tǒng)機(jī)械軸與激光光軸的平行性，所以，系統(tǒng)三軸平行性的調(diào)校問題變成了激光光軸與可見光光軸平行性調(diào)校的問題[4-5]。

圖1 多光譜空間旋轉(zhuǎn)光軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of multi-spectral spatial rotary optical axis

雙光楔調(diào)校方法可以保證可見光軸和激光光軸按圖2所示的方向進(jìn)行校準(zhǔn)，光軸垂直入射到雙光楔的前一表面后經(jīng)過一系列的折轉(zhuǎn)，從其后表面出射產(chǎn)生偏向角，從而實(shí)現(xiàn)在光路中折轉(zhuǎn)光線的目的，對于偏轉(zhuǎn)角為δ的雙光楔，其在光路中的光軸折轉(zhuǎn)如圖2所示[6]。

圖2 雙光楔在光路中的示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual-optical wedge in light path

圖2中的光學(xué)系統(tǒng)是壓制觀瞄系統(tǒng)中電視觀瞄具的物鏡系統(tǒng)。從光學(xué)系統(tǒng)可以看到圖3所示的圖像,在圖3中，K1、K2分別表示第1塊和第2塊光楔的最厚點(diǎn),光軸通過第1塊雙光楔所成像的集合形成Φ1=2δ的一個(gè)圓，再經(jīng)過第2塊光楔成像,則是直徑為2δ的一個(gè)圓周[7]。

圖3 從望遠(yuǎn)鏡中看到的圖像Fig.3 Image from telescope

如圖3所示，假設(shè)像點(diǎn)的最后位置是B,它的坐標(biāo)為(α，β),則K1、K2點(diǎn)與水平軸的夾角是φ1、φ2。像點(diǎn)和原點(diǎn)K1、K2的關(guān)系可表示為

(1)

設(shè)M=φ1-φ2，可以得到：

(2)

由以上公式可知:當(dāng)已知被調(diào)整的光軸偏角α、β時(shí),通過計(jì)算原點(diǎn)K1、K2的位置，再通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)光楔φ1、φ2，主光路將轉(zhuǎn)到α、β位置，利用(1)式和(2)式從理論上計(jì)算得到角度φ1、φ2，再旋轉(zhuǎn)光楔，使光軸被調(diào)到中心[8]。

2 采用雙光楔進(jìn)行光軸調(diào)校的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)(1)式、(2)式可知，只要知道光軸偏離中心點(diǎn)的位置(α，β)(在這里以激光光軸的位置為中心建立坐標(biāo)系，可見光光軸偏離中心的位置即為光軸偏離中心點(diǎn)的位置)，就能計(jì)算出雙光楔轉(zhuǎn)過的角度φ1、φ2，當(dāng)φ1、φ2得知，通過旋轉(zhuǎn)雙光楔相應(yīng)的角度，就能將光軸的位置向中心點(diǎn)的位置靠近。于是，只要求出φ1、φ2關(guān)于(α，β)的函數(shù)，通過函數(shù)

的計(jì)算，就能求出光楔轉(zhuǎn)過的角度φ1、φ2，從而轉(zhuǎn)動(dòng)雙光楔實(shí)現(xiàn)對光軸的調(diào)整。光軸與中心點(diǎn)的位置關(guān)系為

(3)

通過推算可以得出：

當(dāng)β/α<0時(shí)，

(4)

(5)

當(dāng)β/α>0時(shí)，

(6)

(7)

以上所得到的公式是雙光楔轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值(φ1，φ2)關(guān)于光軸的位置(α，β)的函數(shù)，采用Matlab對以上公式進(jìn)行模擬得到雙光楔轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(φ1，φ2)隨著光軸位置(α，β)的變化趨勢，模擬如圖4所示。

圖4 雙光楔轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)學(xué)模擬圖Fig.4 Analog simulation diagrams for rotation angle of double-wedge

通過以上4幅模擬圖可以看出雙光楔旋轉(zhuǎn)的角度(φ1，φ2)隨著光軸的位置(α，β)的變化趨勢。光軸在α2+β2<4δ2區(qū)間范圍內(nèi)，當(dāng)β/α<0時(shí)，變化趨勢為上兩幅圖，可以得出隨著光軸位置的變化，φ1角在(3.141 4, 6.283 2)mrad范圍內(nèi)變化，φ2角在(7.603 8×10-6, 3.141 8)mrad范圍內(nèi)變化。當(dāng)β/α>0時(shí)，變化趨勢為下兩幅圖，可以得出隨著光軸位置的變化，φ1角在(-2.129 1×10-4，3.141 6)mrad范圍內(nèi)變化，φ2角在(-3.141 6， -2.129 1×10-4)mrad范圍內(nèi)變化[9]。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 雙光楔光軸調(diào)校實(shí)驗(yàn)

雙光楔光軸調(diào)校的實(shí)驗(yàn)裝置由大口徑平行光管、采用攝像機(jī)代替激光器、壓制觀瞄系統(tǒng)(待調(diào)校產(chǎn)品)和雙光楔構(gòu)成。

實(shí)驗(yàn)過程如圖5(a)所示，可見光系統(tǒng)放在系統(tǒng)上，調(diào)整光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺瞄準(zhǔn)參考光源十字，如果可見光軸與激光光軸平行，參考光源十字成像于攝像機(jī)系統(tǒng)，兩十字線位置如圖5(b)，否則，兩光軸不平行。

圖5 雙光楔調(diào)校光軸示意圖Fig.5 Schematic diagram for collimating optical axis with dual-optical wedge

假設(shè)角度偏差量為α、β，圖中位移量a、b為角度偏差量α、β在焦面上的位置偏差，則雙光楔旋轉(zhuǎn)使偏差量α、β小于0.1 mrad[10]。

3.2 光軸調(diào)校方法分析與總結(jié)

通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證光軸調(diào)校方法的可行性。

1) 理論計(jì)算。當(dāng)光軸被調(diào)整到所需位置時(shí)，計(jì)算雙光楔旋轉(zhuǎn)角度。在實(shí)驗(yàn)中α=-0.2 mrad，β=-0.2 mrad，δ=0°,

則可計(jì)算得到：

2.363 4 mrad

2.346 6 mrad

即第1塊光楔和第2塊光楔分別旋轉(zhuǎn)2.363 4 mrad和2.346 6 mrad ，使光軸從位置(-0.2 mm，-0.2 mm)轉(zhuǎn)移到中心位置。

2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，雙光楔旋轉(zhuǎn)使光軸從(-0.2 mm，-0.2 mm)轉(zhuǎn)移到(0.025 mm，0 mm),當(dāng)光軸折轉(zhuǎn)到所需位置時(shí)，第1塊光楔和第2塊光楔分別旋轉(zhuǎn)2.303 mrad和2.285 mrad。

通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用雙光楔進(jìn)行光軸調(diào)校時(shí)，理論所需調(diào)校的角度(2.366 4 mrad,2.346 6 mrad)與雙光楔實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度(2.303 mrad,2.285 mrad)的誤差量很小，僅為(0.063 mrad，0.061 6 mrad)。

4 結(jié)論

根據(jù)調(diào)校系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，采用雙光楔旋轉(zhuǎn)的方法對其進(jìn)行調(diào)校，運(yùn)用雙光楔掃描法實(shí)現(xiàn)對光軸的偏差調(diào)校，通過數(shù)學(xué)模型的建立和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)雙光楔掃描法可以準(zhǔn)確、方便地實(shí)現(xiàn)對光軸偏差的調(diào)整，滿足調(diào)校激光光軸、可見光光軸、機(jī)械軸三軸平行性0.1 mrad的技術(shù)指標(biāo)。

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