吳淑巧

（廣州計(jì)量檢測(cè)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(huì)直接影響到其觀測(cè)效果，望遠(yuǎn)鏡國(guó)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(guò)程中由于加工誤差的影響會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)光軸平行性存在一定的偏差。同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡作為一種輕便的可隨身攜帶的觀測(cè)儀器，在使用過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生碰撞、撞擊，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)其內(nèi)部零部件還會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)精度下降。為了消除以上因素對(duì)望遠(yuǎn)鏡光軸平行性的影響，就需要對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光軸平行性檢驗(yàn)與校正。目前相對(duì)較為常見(jiàn)的光軸平行性檢驗(yàn)方法有投影靶板法、激光光軸儀法、五棱鏡法以及微動(dòng)原理法等，利用這些方法制成相應(yīng)的光軸平行性檢測(cè)平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)快速的光軸平行性檢測(cè)[1]。

1 望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢驗(yàn)方法

1.1 棱鏡微動(dòng)理論法

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的部件微動(dòng)過(guò)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(lái)解釋，但是該理論在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用會(huì)受到較多的因素干擾。光學(xué)儀器設(shè)備中棱鏡的微動(dòng)往往是繞某個(gè)固定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假定旋轉(zhuǎn)軸的位置為無(wú)窮遠(yuǎn)，此時(shí)可以認(rèn)為棱鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可近似視為平動(dòng)。為了簡(jiǎn)化棱鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，建立如下圖1所示，表示動(dòng)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(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)零件微動(dòng)所產(chǎn)生的一系列成像理論與光學(xué)零部件調(diào)整問(wèn)題，首先需要簡(jiǎn)化其中的高階微量。經(jīng)過(guò)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(dòng)時(shí)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(yàn)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(cè)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(huì)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(guò)比較光軸在靶板上投影的間隔關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光軸的檢測(cè)。該方法同時(shí)適用于室內(nèi)與室外檢測(cè)。

1.3 激光光軸儀法

使用激光光軸儀測(cè)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(guò)斜方棱鏡3、折光鏡2最后經(jīng)過(guò)反光鏡5后達(dá)到顯示屏6上。若經(jīng)過(guò)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(gè)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(cè)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(cè)遠(yuǎn)處同一目標(biāo)，如果待觀測(cè)目標(biāo)在檢測(cè)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(cè)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(cè)儀

2 數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測(cè)法

在光學(xué)檢測(cè)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(cè)方法，這一類檢測(cè)方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)較高的檢測(cè)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(cè)法

激光光軸與CCD成像光軸檢測(cè)法應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測(cè)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(guò)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(shí)現(xiàn)待測(cè)設(shè)備的光軸平行性檢測(cè)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(guò)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(chǎng)光軸一致性檢測(cè)儀

2.2 基于視頻圖像處理技術(shù)的光軸平行性檢測(cè)法

基于視頻圖像處理技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測(cè)法主要由光電傳感器、投影靶板、激光測(cè)距機(jī)、檢測(cè)計(jì)算機(jī)以及圖像檢測(cè)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(duì)準(zhǔn)該投影靶板；將視頻圖像檢測(cè)器布置在激光測(cè)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(cè)器檢測(cè)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(cè)要求；使用檢測(cè)計(jì)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(guò)圖像匹配處理算法可以得到望遠(yuǎn)鏡光軸相對(duì)于激光測(cè)距機(jī)光軸的偏差大小，通過(guò)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(cè)法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(cè)方法，新型數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測(cè)法在實(shí)踐應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測(cè)法檢測(cè)原理更加先進(jìn)，在實(shí)踐應(yīng)用中具有更好的檢測(cè)精度與智能性；（2）數(shù)字視頻圖像光軸平行性檢測(cè)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(lái)還可以進(jìn)一步縮小望遠(yuǎn)鏡光軸平行性檢測(cè)平臺(tái)的體積；（3）具有更好的適用性，在檢測(cè)時(shí)無(wú)需進(jìn)行過(guò)多的調(diào)整即可完成光軸平行性檢測(cè)，且可以實(shí)現(xiàn)多光軸平行性的同步檢測(cè)；（4）對(duì)操作人員的技能水平要求不高，無(wú)需進(jìn)行專門(mén)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(yǔ)

綜上所述，望遠(yuǎn)鏡光軸平行性會(huì)直接影響到物像觀測(cè)效果。在實(shí)際使用過(guò)程中由于受零部件加工誤差，使用過(guò)程中振動(dòng)、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(huì)出現(xiàn)一定的偏差，科學(xué)而精準(zhǔn)的光軸平行性檢驗(yàn)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(yàn)中，顯著地提高了望遠(yuǎn)鏡光軸檢測(cè)的靈敏度與操作便捷性。