棱鏡式望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢驗分析

吳淑巧

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663）

0 引言

雙目望遠(yuǎn)鏡光軸平行性會直接影響到其觀測效果，望遠(yuǎn)鏡國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雙目望遠(yuǎn)鏡出射光束平行性應(yīng)不低于5.1，但是在生產(chǎn)加工過程中由于加工誤差的影響會導(dǎo)致兩個光軸平行性存在一定的偏差。同時，望遠(yuǎn)鏡作為一種輕便的可隨身攜帶的觀測儀器，在使用過程中難免會發(fā)生碰撞、撞擊，隨著使用時間的延長其內(nèi)部零部件還會出現(xiàn)不同程度的磨損導(dǎo)致其動態(tài)精度下降。為了消除以上因素對望遠(yuǎn)鏡光軸平行性的影響，就需要對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光軸平行性檢驗與校正。目前相對較為常見的光軸平行性檢驗方法有投影靶板法、激光光軸儀法、五棱鏡法以及微動原理法等，利用這些方法制成相應(yīng)的光軸平行性檢測平臺即可實現(xiàn)快速的光軸平行性檢測[1]。

1 望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢驗方法

1.1 棱鏡微動理論法

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的部件微動過程中物像共軛關(guān)系變化可以用透鏡與棱鏡的成像理論來解釋，但是該理論在現(xiàn)實中的應(yīng)用會受到較多的因素干擾。光學(xué)儀器設(shè)備中棱鏡的微動往往是繞某個固定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，假定旋轉(zhuǎn)軸的位置為無窮遠(yuǎn)，此時可以認(rèn)為棱鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可近似視為平動。為了簡化棱鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，建立如下圖1所示，表示動參考坐標(biāo)系，則表示靜態(tài)參考坐標(biāo)系，坐標(biāo)系代表像空間。

圖1 空間參考系

為了簡化光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)零件微動所產(chǎn)生的一系列成像理論與光學(xué)零部件調(diào)整問題，首先需要簡化其中的高階微量。經(jīng)過光學(xué)領(lǐng)域研究人員的反復(fù)論證總結(jié)得到的光學(xué)零件微動時物像的共軛關(guān)系的改變規(guī)律可以為光學(xué)儀器的校正提供很好的依據(jù)[2]。

1.2 投影靶板法

利用投影靶板法檢驗望遠(yuǎn)鏡光軸平行性的原理，將一靶板布置在遠(yuǎn)處，使待測望遠(yuǎn)鏡出射激光束能夠照射在靶板上。望遠(yuǎn)鏡光軸的間隔關(guān)系會反應(yīng)在靶板上，順著光路觀察可以看到靶板上投影點(diǎn)是望遠(yuǎn)鏡光軸的鏡像，通過比較光軸在靶板上投影的間隔關(guān)系即可實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光軸的檢測。該方法同時適用于室內(nèi)與室外檢測。

1.3 激光光軸儀法

使用激光光軸儀測量望遠(yuǎn)鏡光軸平行性的原理示意圖如下圖2所示。激光發(fā)射器發(fā)出的高亮度光束先后沿著反光鏡1、折光鏡2以及斜方棱鏡3后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡7。高亮度光束進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡目鏡后從物鏡端射出后再由反光鏡4回到望遠(yuǎn)鏡中，再經(jīng)過斜方棱鏡3、折光鏡2最后經(jīng)過反光鏡5后達(dá)到顯示屏6上。若經(jīng)過雙目望遠(yuǎn)鏡的兩束高亮度光束最終落在顯示屏6上同一個位置則表示望遠(yuǎn)鏡光軸平行性較好，若不在同一位置則表示望遠(yuǎn)鏡光軸存在偏差[3]。

圖2 激光光軸儀法原理示意圖

1.4 平行光管法

平行光管檢測儀主要結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3所示，分別使用白光成像裝置與熱成像裝置在某一固定位置并在合適的光環(huán)境條件下觀測遠(yuǎn)處同一目標(biāo)，如果待觀測目標(biāo)在檢測儀中的成像位于望遠(yuǎn)鏡十字分劃線的交點(diǎn)位置，則認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡光軸平行性較好。受限于待檢設(shè)備成像需要全部處于測試儀器視野內(nèi)的影響，常需要使用大口徑平行光管。

圖3 平行光管檢測儀

2 數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測法

在光學(xué)檢測技術(shù)與圖像、視頻處理技術(shù)快速發(fā)展的背景下，逐漸衍生出了具有智能化、小型化特征的現(xiàn)代數(shù)字視頻光軸平行性檢測方法，這一類檢測方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)較高的檢測精度，還具有良好的可操作性[4]。

2.1 激光光軸與CCD成像光軸檢測法

激光光軸與CCD成像光軸檢測法應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測原理示意圖如下圖4所示。射出的激光光束經(jīng)兩次90°反射后進(jìn)入CCD成像系統(tǒng)中，通過獲取激光光束進(jìn)入CCD成像系統(tǒng)后的光斑位置偏移量可以實現(xiàn)待測設(shè)備的光軸平行性檢測與校正。該方法主要適用于光軸平行性偏差較小情況下的精確校正，若望遠(yuǎn)鏡光軸平行性存在較大的偏差則應(yīng)先通過光學(xué)校正系統(tǒng)粗校后再使用該方法完成精校。

圖4 外場光軸一致性檢測儀

2.2 基于視頻圖像處理技術(shù)的光軸平行性檢測法

基于視頻圖像處理技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測法主要由光電傳感器、投影靶板、激光測距機(jī)、檢測計算機(jī)以及圖像檢測器等組成。將專用投影靶板放置在遠(yuǎn)處，調(diào)整光電成像系統(tǒng)對準(zhǔn)該投影靶板；將視頻圖像檢測器布置在激光測距機(jī)的光路內(nèi)，使用激光發(fā)射器調(diào)整激光光束處于視頻圖像檢測器檢測范圍內(nèi)即可得到高亮度激光束出射點(diǎn)成像，調(diào)整成像系統(tǒng)保證激光光束出射點(diǎn)成像具有足夠的清晰度以滿足檢測要求；使用檢測計算機(jī)采集并處理得到的激光光束出射成像可以得到出射高亮度激光束的中心與望遠(yuǎn)鏡光軸分劃點(diǎn)；通過圖像匹配處理算法可以得到望遠(yuǎn)鏡光軸相對于激光測距機(jī)光軸的偏差大小，通過調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的光軸分劃即可校正其光軸的平行性偏差。

2.3 數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測法的應(yīng)用優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡或其他光學(xué)儀器的光軸平行性檢測方法，新型數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測法在實踐應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢：

（1）數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測法檢測原理更加先進(jìn)，在實踐應(yīng)用中具有更好的檢測精度與智能性；（2）數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測儀器的外形尺寸與質(zhì)量更小，并且隨著電路集成度的不斷提高未來還可以進(jìn)一步縮小望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測平臺的體積；（3）具有更好的適用性，在檢測時無需進(jìn)行過多的調(diào)整即可完成光軸平行性檢測，且可以實現(xiàn)多光軸平行性的同步檢測；（4）對操作人員的技能水平要求不高，無需進(jìn)行專門的培訓(xùn)；（5）能夠有效排除外部環(huán)境中溫濕度的干擾，具有良好的抗惡劣環(huán)境性能。

3 結(jié)語

綜上所述，望遠(yuǎn)鏡光軸平行性會直接影響到物像觀測效果。在實際使用過程中由于受零部件加工誤差，使用過程中振動、沖擊或者望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部零件磨損的影響望遠(yuǎn)鏡光軸平行性會出現(xiàn)一定的偏差，科學(xué)而精準(zhǔn)的光軸平行性檢驗理論是校正望遠(yuǎn)鏡光軸的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等快速發(fā)展的背景下，一些新興技術(shù)應(yīng)用到望遠(yuǎn)鏡光軸的檢驗中，顯著地提高了望遠(yuǎn)鏡光軸檢測的靈敏度與操作便捷性。