多视场电视观瞄具的光轴调校技术

张锦亮，王章利，姜 峰，肖应玉

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

电视观瞄具是白天进行实时观察场景的重要观瞄手段之一，在机载、舰载、车载等军事和非军事方面都有广泛的应用。为了实现在远、近距离和大范围条件下对目标进行探测、识别和瞄准，定焦电视观瞄具将短焦物镜、长焦摄远物镜进行组合使用形成大视场、中视场和小视场等多个视场，通过切换视场视频可以同时获得足够大的视场和像面。当电视观瞄具安装在工程系统中，往往要求光轴与安装基准面成某一角度（如垂直、平行）或与其他光轴（如激光束、红外光轴、各视场光轴）平行。各视场光轴的平行性和稳定性是电视观瞄具的重要性能指标之一。由于光学、机械零部件的加工和装配均存在误差，导致系统的实际光轴与理想状态总会存在一定偏差，往往需要通过部件或整机装调过程中的光轴调校和修正来进行消除。此外，最终调校和修正的光轴必须经受高低温、冲击振动等复杂环境的考验，始终保持稳定不变。

电视观瞄具在光轴装调过程中，需要直观和精确地检测出偏差的方向和大小，科学指导光轴的调校和修正。否则，光轴调校和修正过程将非常盲目和繁复。以某多视场电视观瞄具为研究对象，根据系统的光机系统结构特点，通过调校原理分析，建立统一的装调基准，提出了一整套优化的装调技术方案，使光轴平行性和稳定性误差控制在允许范围内。

1 系统组成

某电视观瞄具由中视场组件、小视场组件、壳体及电子单元等组成。中、小视场的光学系统如图1所示，中视场物镜前方设置有双光楔微调机构。系统要求中视场与小视场光轴严格平行，误差允许范围0.15mrad。此外，小视场光轴与电视观瞄具壳体2个正交的安装基准面平行，并且在环境试验后光轴保持稳定，允差不大于0.05mrad。

图1 某电视观瞄具光学系统示意图Fig.1 Schematic diagram of TV sight optical system

该系统光轴调校的关键难点在于：1）光轴之间以及光轴与机械安装基准面之间具有相互位置关系，须建立统一的装调基准，减小转接过渡误差；2）调整量不能超出双光楔的调节范围，双光楔对光轴的偏转相互影响，使得调校过程比较复杂，需要掌握双光楔调校的基本规律；3）须保证光轴相对于壳体位置不发生变化，经受高低温、振动冲击等环境试验的考验，光轴始终保持不变。

2 光轴调校技术方案

以电视观瞄具各视场摄取远方景物获得的像面中心为其光轴，为解决该电视观瞄具光轴平行性和稳定性的装调与测量技术问题，设计和搭建了一种结构简单、仪器架设方便、对准精度高、无安装重复误差的光轴装调装置。图2所示架设产品和仪器，将调试工装架置于可调平台上，正对于平行光管的前方，反射镜粘接在调试支架的一个侧面上，镜面与调试工装架2个基面C、D相互正交；电视观瞄具与监视器、电十字发生器通过数据线相连，其安装基准面分别紧贴调试工装架的2个基面C、D。采取的调校技术方案如下：

图2 光轴调校示意图Fig.2 Schematic diagram of optical axis adjustment

1）微量调整调试工装架和可调平台底部的3个调节手轮，使平行光管的光轴与反射镜自准直，通过目镜观察到自准像与原十字相重合。

2）接通电视观瞄具电源，此时监视器上显示有2个十字，其中一个为电十字发生器的电十字线，另一个为平行光管的十字线经电视观瞄具所成的十字像。

3）调校小视场光轴与安装基准面的平行性：电视观瞄具切换至小视场，当光轴与基面不平行时，电十字与十字像不重合，2个十字线偏离的角度就是小视场光轴与安装基准面的平行性误差，通过移动CCD靶面位置或整体摆动小视场组件，调整光轴直至平行性在要求的范围即可。

4）调校中视场与小视场光轴的平行性：将电视观瞄具切换至小视场状态，使平行光管经CCD所成的十字像与电十字重合，再切换到中视场，此时十字像与电十字偏离的角度就是中视场与小视场光轴平行性误差。通过移动CCD靶面位置或整体摆动中视场组件，初步将光轴平行性调整至在一定范围。

5）通过中视场镜组的双光楔机构精确调校光轴，直至平行性在系统要求的范围。

6）经过稳定处理后，将电视观瞄具与调试工装架一起进行高低温、振动冲击试验等，试验前后测量十字像与电十字的变化量，即完成了光轴稳定性的测量。

在上述调校装置和技术方案中，调试工装架利用侧面粘贴的平面反射镜将电视观瞄具的安装基准面转换到平面反射镜的镜面上，通过自准直又将基准转换到平行光管的光轴上，得到了较高的对准精度。与可调平台组合使用，通过平台底部的3个螺纹调节座，可实现自准直操作时高度和倾角的微量调整控制。产品一次安装即可，利用调试工装架底部的固定孔，可直接与试验台连接，装调、测量、试验前后不需要反复拆装，避免了多次安装的误差。电视观瞄具中、小视场光轴的平行性，光轴与安装基准面的平行性以及光轴稳定性的装调和测量，均在统一的基准（平行光管的光轴）下进行。

但在实际调校光轴过程中，特别是通过双光楔机构精确微调光轴时，我们常常遇到很难或根本调不到产品所要求精度范围的情况。为此，需要利用双光楔调校原理进行分析及优化。

3 光轴调校原理

在光轴调校过程中，由于空间位置和操作工具的限制，CCD靶面和镜筒的调整难以实现光轴精确微调。因此，对于中视场光轴与小视场光轴平行性，可利用双光楔对光轴进行精调。双光楔调校原理见图3。

图3 光楔示意图Fig.3 Schematic diagram of double optical wedges

如图3（a）所示，由于光楔的楔角α很小，当光线的入射角很小时，出射角也很小，偏向角δ满足：δ＝（n－1）×α。对于如图3（b）所示的双光楔，楔角均为α，相隔一微小间隙，入射光线穿过光楔的前表面后经过一系列的折射，从后表面出射发生偏转。当2个光楔主截面平行同向放置如图3（c）所示时，所产生的偏向角为2δ，当1个光楔绕光轴旋转180°时，所产生的偏向角为零；当2个光楔绕光轴相对旋转时，则2个光楔产生的总偏向角随转角而变化。

实际上，光楔的楔角加工存在微小误差（一般为15″～30″），因此第1、第2光楔产生偏向角并不相等。如图4（a）所示，假设2个光楔偏向角分别为δ1和δ2，初始位置均为最厚端顶点在ox轴上。当第1光楔绕光轴oz旋转角度θ至oN，平行光管分划中心在物镜（焦距为f′）像方焦面上的等效中心坐标（Ax，Ay）为

式中：δ1为第1个光楔的偏向角；θ为第1个光楔绕光轴旋转的角度；f′为平行光管物镜的焦距。

图4 平行光管物方分划像坐标Fig.4 Object space division coordinates of collimator

同理，当第2个光楔绕光轴oz旋转β至oM，平行光管分划中心在物镜像方焦面上的等效中心坐标（Bx，By）为

式中：δ2为第1个光楔的偏向角；β为第1个光楔绕光轴旋转的角度；f′为平行光管物镜的焦距。

当分划中心经过第1和第2个光楔时，在物镜像方焦面上总的等效中心坐标（Cx，Cy）为

式中：δ1和δ2为第1、第2个光楔的偏向角；θ和β为第1和第2个光楔绕光轴旋转的角度；f′为平行光管物镜的焦距。

从（3）式可以看出，当需要将分划中心像（光轴）调至坐标（Cx，Cy）时，只需分别将第1个光楔旋转θ，第2个光楔旋转β即可。但调校并非在任何情况下均可实现，下面分析（1）式有解的条件：

令P＝f′tanδ1，Q＝f′tanδ，（3）式利用三角函数公式可化简为

（4）式有解的条件为

因此，从（5）式可以看出，有解条件如图4（b）所示，所要调校平行光管分划中心像的等效坐标（Cx，Cy）必须落在半径为R1＝｜f′tanδ1－f′tanδ2｜和R2＝f′tanδ1＋f′tanδ2的圆环之内。

4 调校和测试结果

通过分析双光楔光轴调校原理，我们得到启示，调校必须在R1和R2圆环范围内，盲目地调校不能满足要求。因此，须对装调技术方案中的双光楔调校过程进一步优化：1）为了减小内环R1，2个光楔的楔角差别不能太大，应尽可能相等。装调过程中，可以通过选配的方式，测量挑选楔角相等的光楔进行配对使用。2）为了实现将光轴精确调整到外环R2以内，在装调过程中须将中视场与小视场光轴平行性的粗调误差控制在R2以内。否则，精确调校精度将无法实现。

在光轴调校原理和技术方案的指导下，经过实际装调和测试，该电视观瞄具中视场光轴与小视场光轴的平行性可以达到0.1mrad，小视场光轴与安装基准面的平行性满足要求。在高低温、冲击振动试验后，小视场光轴的稳定性优于0.05mrad。

5 结论

根据某电视观瞄具的系统结构，对光轴平行性和稳定性进行了调校，确定了调校技术方案，设计和搭建了光轴装调装置，通过对双光楔光轴调校原理的分析，对调校方案进行了优化。在光轴调校原理和技术方案的指导下，经过装调、测试验证，调校原理和调校装置可以满足该电视观瞄具中视场与小视场光轴平行性、小视场光轴与安装基准面的平行、小视场光轴稳定性等技术指标的调校与测试，可以准确、方便地实现将产品精度控制在技术要求范围内。中视场光轴与小视场光轴的平行性可以达到0.1mrad，小视场光轴的稳定性优于0.05mrad。

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