瞄准镜光学系统的研究现状*

朱 昱， 王 成， 倪红军

(南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019)

0 引 言

瞄准镜光学系统性能的优劣直接影响瞄准镜的性能[1,2]。最初瞄准镜的光学系统是由一个或多个光学元件(如透镜、棱镜、反射镜等)按照一定次序组合成的具有光学功能的系统，之后结合多种红外技术、光电技术和传感技术演变为多功能光学系统，按其发展阶段可分为光学瞄准系统、红外热成像光学系统、激光测距光学系统、变焦光电光学系统等。当前，瞄准镜光学系统的研究愈来愈受到重视，一方面可以提高瞄准镜的综合性能，另一方面对于我国武器装备的发展具有重要意义。目前，结合高新技术(如微光、红外、激光等技术)对瞄准镜光学系统进行深入研究，研制出了能够实现智能化、高精度定位、全天候观测、激光测距、实时信息传输等功能的综合瞄准镜光学系统[3～5]。

本文综述了不同发展阶段的光学系统在瞄准镜领域中的研究与应用。

1 白光瞄准光学系统

早期的白光瞄准光学系统是在开普勒望远系统的基础上发展而来，应用物理光学、几何光学原理以及简单的电路、光源等，对远处目标进行放大识别达到精确瞄准射击的目的。当时，由于科学技术的限制，白光瞄准系统同样也存在着不足，如,射手的视场受局限、没有适当的放大倍率、易损坏等。研究者们在早期白光瞄准光学系统的基础上不断研制出一系列性能优异的瞄准镜[6]。

20世纪初，英国学者研制出L9A1式瞄准镜，其光学系统采用气体氚作为可调光源照亮分划板来达到目标与瞄准分划有合适的亮度比，能够实现对目标进行4倍放大。如今，已经研制出由物镜组、分划板、目镜组、变倍转像组构成的白光瞄准光学系统。光学系统的调节手轮的每一档采用小调节量设计，每组透镜采用高级光学材料，物镜采用调焦机构的设计，光学元件采用高透过率膜设计，不仅使瞄准镜能够消除视差，还具有高分辨力和高瞄准精度[7]。

目前，世界各国轻武器普遍装备有机械瞄准具，但重点装备的仍是普通光学瞄准具，因此，仍有学者对白光瞄准光学系统的性能进行进一步的提升。未来白光瞄准光学系统应朝着系统智能化、结构简单化、功能全面化方向发展，有利于瞄准镜对远距离目标进行更好的观察瞄准。

2 红外热成像光学系统

红外热成像光学系统是根据目标各个部分之间的热辐射差或温差来实现探测和发现目标，其观察效果不受环境条件的制约，且可全天候对目标进行侦察。相比于白光瞄准光学系统，红外热成像光学系统具有独特的优势，如可穿透烟雾对目标进行观察，能识别伪装，隐蔽性好等[8～12]。因此，热成像瞄准镜红外光学系统具有广阔的应用前景。

美国陆军夜视和电子光学局开发的一种采用模块式结构的红外热成像光学系统，可用于防空导弹系统、周边检测器、遥控飞行器监视器等。该系统采用8个大规模集成电路使瞄准镜的质量大幅度减少，采用PEEK材料的衍射光学透镜进一步减轻了系统质量、降低了系统成本，可实现对2 200 m外的目标进行侦察[13]。

王堃等人[14]利用透镜焦距随温度不同而变化的规律设计了在8～12 μm波段工作的折/衍混合无热化红外光学系统。为了使系统满足轻量小型的要求，光学系统采用一次成像技术，由4片物镜构成，光学材料组合为：Ge-ZnS-Ge-ZnSe，其中两个表面采用高次非球面，一个表面为衍射面。结果表明：红外系统在40～60 ℃温度范围内不仅能在较宽温度范围内得到接近衍射成像质量，而且与采用球面透镜的光学系统相比，具有结构简单、体积小、质量轻等优点，符合无热差要求。陈潇等人[15]对长波红外大视场大相对孔径光学系统进行研究，采用320×240非制冷长波红外焦平面阵列探测器，设计了一个由3片非球面锗镜组成、工作波段为8～12 μm、焦距为6 mm的红外物镜。结果表明，光学系统在满足光焦度要求的前提下又消除了轴向色差，采用反远距型结构使全视场角可达到160°，用于大范围目标的观察；非球面的使用，使光学系统照度均匀、结构更加紧凑，并且进一步提高了系统的成像质量。

还有学者对非制冷红外光学系统进行研究。付跃刚等人[16]结合红外与变倍特性完成了红外双视场光学系统的设计。红外光学系统采用德国AIM公司的长波非制冷探测器接收红外信号，由6片球面型透镜组成，红外材料选择为Ge，ZnSe及AMTir3，系统总长为295 mm，最大元件口径为76 mm。实验结果表明，红外双视场瞄准镜光学系统在-40～+60 ℃范围内均有良好的成像质量，环境适应性强。孟剑奇[17]为了研制高性能、高像质光学系统的同时，尽可能减小系统的体积、质量，设计出了6倍变焦中波双视场红外热成像光学系统。光学系统利用光学镜组沿轴快速平行移动实现大小视场切换，引入衍射光学和非球面光学设计技术尽可能减少光学零件的数量和大小。该系统的结构布局采用光机结构一体化设计，在透镜间引入两个非球面和非球面基地基诺衍射表面来优化系统的色差及像差。研究表明，红外热成像光学系统在3.7～4.8 μm波段内可实现100 %冷光阑效率，系统像差和色差得到优化，且在-45～+55 ℃的温度范围内仍然能清晰成像。相比于光学瞄准系统，红外热成像光学系统可全天候观测目标，采用新型材料及非球面的镜片设计进一步简化了系统结构和降低了系统质量，具有结构紧凑、成像质量好、瞄准精度高等优点，使瞄准装置的综合性能得到大幅度提升。

红外热成像光学系统是最受关注、研究最多的被动夜视红外技术，具有便于携带、可靠性好、功耗造价低等优点。目前，如何采用一定的补偿方法或者特殊设计使光学系统在一个较大的温度范围内成像质量不变化或者变化很小是红外热成像光学系统的一个难点，也是国内外学者亟待研究、解决的难题。

3 激光测距光学系统

激光测距光学系统是对计算机技术、激光技术等多门技术的综合运用，利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束来测量目标距离。激光测距光学系统与一般瞄准分划测距系统技术相比较有以下几个显著优势：1)测距精度高，激光测距系统精度不受被测距离的影响，且具有测程远、密封性好、可靠性高等特点；2)具有很高的分辨力和很强的抗干扰能力，并且不受微波在地面附近产生多路径效应的影响及地面物体的干扰；3)安装调整方便，稳定性高[18～20]。

由于激光测距系统广泛应用于军事领域，国内外诸多相关机构都开始着手研究激光测距系统的相关工作[21]。奥地利斯瓦洛夫斯基光学公司研制出LRS激光测距瞄准镜光学系统，在光学系统的目镜和物镜之间放置了一个特殊的分束棱镜，使瞄准镜的光轴和激光测距仪的光轴重合，激光从瞄准镜的物镜发射出去，并通过同一物镜接收反射回来的激光脉冲。结果表明，光学系统测距范围为600 m，测距精度为±1 m，可在-10～50 ℃范围内工作，具有质量轻、测距速度快、便于调整等优点。挪威研制出西姆拉德激光测距光学系统，系统内装有计算机及二极管激光测距仪，有多种弹药弹道预编的程序。研究发现，光学系统视场为13.6°，瞄准精度为±0.5密位(1密位=0.06°)，可提供即时的准确数据，且静止或运动目标的距离均会显示在显示板上，可更好地适应战场条件的变化。加拿大研制出装有计算机的激光光学瞄准系统，由激光测距仪、电子光学模块及弹道计算组装而成，且装有武器侧倾传感器。结果表明，激光瞄准光学系统测距范围在4 km内，具有牢固、质量轻、易于操作，提高远射程射击命中率等优点，同时，不仅可以改善武器系统的性能而且提供了一种低费效比方法来改进在役武器系统，以适应作战要求的变化[22～24]。

黄小平[25]通过在瞄准镜上安装激光发射器，在白光瞄准镜光学系统的基础上研究出一种激光测距光学系统，研究系统成像的质量及光能的损失、透过率问题。结果表明，在光学瞄准镜系统中安装2块分光棱镜，激光发射器连接在处理单元上时，新型激光测距光学系统可以实现激光测距的数值在视场中显示，且透过率较高，光能损失很小，成像质量得到改善。相比于可全天候工作的红外热成像光学系统，激光测距光学系统具有测距范围大、分辨率高、稳定性高等优点。

激光测距瞄准镜光学系统能够实现对现代军事打击目标距离的精确测量，具有很高的精度和良好的抗干扰性。目前，激光测距光学系统正朝着自动化、智能化、小型化方向发展，将更加广泛应用于轻武器瞄准装置。

4 红外变焦光学系统

红外变焦光学系统是在可见光变焦系统的基础上发展而来，可实现在变焦过程中像面位置保持不变，且像质保持良好的光学系统，可兼顾对目标的大视场搜索和小视场瞄准跟踪要求[26～31]。与可见光波段光学系统相比，红外变焦光学系统具有显著优势：1)可全天候工作；2)具有良好的烟雾、尘埃穿透能力；3)具有长距离探测能力及揭示伪装能力[32～35]。

Zhang T等人[36]采用二次成像系统及变焦物镜设计了一种3.7～4.8 μm波段的透射式红外变焦光学系统，其变倍比为6，最小焦距为22 mm。该系统由7片材料为锗、硅的透镜组成，利用2个平面反射镜光路折叠来减小尺寸，引入非球面来消除轴外像差，且探测器敏感元接受面的能量集中度大于80 %，因此，系统具有良好的成像质量。王巍等人[37]采用机械补偿的方法，引入非球面和衍射面，设计了在8～12 μm波段工作的由5片采用负组补偿型式透镜组成的折射式红外连续变焦光学系统。结果表明，系统在变焦过程中相对孔径保持不变，变倍比为3︰1，焦距为30～150 mm，结构进一步简化、成像质量进一步提高。赵坤等人[38]针对红外变焦光学系统短焦部分冷反射严重的问题，设计了一种双孔径大变倍比红外变焦光学系统，短焦和长焦分为2个孔径，短焦的前端主物镜通过一个45°反射镜使光路转折，短焦切换组采用翻转变倍机构实现变倍，同时与长焦系统共用后端部分。结果表明，双孔径红外变焦光学系统变倍比为10︰1，焦距为30～300 mm，具有100 %冷光阑效率，像质好、变倍比大、结构紧凑、变焦时间短等特点。

红外变焦光学系统在焦距连续变化的过程中不丢失目标信息且保持像质良好，对进一步提升瞄准镜的综合性能十分有利。在今后红外变焦光学系统发展中，多采用新型玻璃、非球面等技术增大孔径；采用人造晶体、多种透镜组合、多种变焦形式提高变倍比；运用光阑移动、高折射率非球面化玻璃面型等使系统小型化；综合运用计算机自动设计与高精度数控机床技术完成透镜凸轮曲线设计来提高成像质量。

5 结束语

随着瞄准镜光学系统研究的不断深入，轻武器瞄准装置的性能也会得到不断发展。为了适应未来复杂战场环境的需要，达到全天候的精确搜索、瞄准、射击的目的，国内外学者积极探索光电综合瞄准镜，各种各样的瞄准镜都应用了光学、光电技术。为了进一步拓展光学系统在瞄准镜中的应用，还需要围绕以下几个方面做进一步的研究：

1)研制结构简单、体积小、智能化、高灵敏度及适用范围大的全天候瞄准镜光学系统。

2)深入研究由昼夜光学系统、测距系统及计算机组成的综合瞄准镜光学系统，综合应用多种传感技术和光电技术，实现高精度目标定位、弹道解算、信息传输及环境感知等，以便为发展和军事应用提供可靠的科学依据。

3)瞄准镜光学系统应朝着全方面发展，不仅可以实现高精度、全天候观测及快速瞄准，而且应使瞄准装置具有高机动性能、隐身性能，使武器装备被雷达发现和锁定的概率大幅下降，获得压倒性的不对称优势；同时，还应朝着智能自动检测自修复的方向发展，使武器装备维修保障成本大幅度缩减，作战效能大幅上升。

总之，瞄准镜光学系统技术正处在快速发展阶段，未来要不断地结合多种学科知识改进瞄准镜的性能，以期使武器装备发挥更大的效益。