棱鏡式望遠鏡光軸平行性檢驗分析

吳淑巧

（廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510663）

0 引言

雙目望遠鏡光軸平行性會直接影響到其觀測效果，望遠鏡國家標準中規定雙目望遠鏡出射光束平行性應不低于5.1，但是在生產加工過程中由于加工誤差的影響會導致兩個光軸平行性存在一定的偏差。同時，望遠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生碰撞、撞擊，隨著使用時間的延長其內部零部件還會出現不同程度的磨損導致其動態精度下降。為了消除以上因素對望遠鏡光軸平行性的影響，就需要對望遠鏡進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的光軸平行性檢測平臺即可實現快速的光軸平行性檢測[1]。

1 望遠鏡光軸平行性檢驗方法

1.1 棱鏡微動理論法

光學系統內的部件微動過程中物像共軛關系變化可以用透鏡與棱鏡的成像理論來解釋，但是該理論在現實中的應用會受到較多的因素干擾。光學儀器設備中棱鏡的微動往往是繞某個固定軸做旋轉運動，假定旋轉軸的位置為無窮遠，此時可以認為棱鏡的旋轉運動可近似視為平動。為了簡化棱鏡的旋轉運動，建立如下圖1所示，表示動參考坐標系，則表示靜態參考坐標系，坐標系代表像空間。

圖1 空間參考系

為了簡化光學系統內零件微動所產生的一系列成像理論與光學零部件調整問題，首先需要簡化其中的高階微量。經過光學領域研究人員的反復論證總結得到的光學零件微動時物像的共軛關系的改變規律可以為光學儀器的校正提供很好的依據[2]。

1.2 投影靶板法

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

1.3 激光光軸儀法

使用激光光軸儀測量望遠鏡光軸平行性的原理示意圖如下圖2所示。激光發射器發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后進入望遠鏡7。高亮度光束進入望遠鏡目鏡后從物鏡端射出后再由反光鏡4回到望遠鏡中，再經過斜方棱鏡3、折光鏡2最后經過反光鏡5后達到顯示屏6上。若經過雙目望遠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鏡光軸平行性較好，若不在同一位置則表示望遠鏡光軸存在偏差[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構示意圖如下圖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境條件下觀測遠處同一目標，如果待觀測目標在檢測儀中的成像位于望遠鏡十字分劃線的交點位置，則認為望遠鏡光軸平行性較好。受限于待檢設備成像需要全部處于測試儀器視野內的影響，常需要使用大口徑平行光管。

圖3 平行光管檢測儀

2 數字視頻圖像光軸平行性檢測法

在光學檢測技術與圖像、視頻處理技術快速發展的背景下，逐漸衍生出了具有智能化、小型化特征的現代數字視頻光軸平行性檢測方法，這一類檢測方法不但能夠實現較高的檢測精度，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成像光軸檢測法應用于望遠鏡光軸平行性檢測原理示意圖如下圖4所示。射出的激光光束經兩次90°反射后進入CCD成像系統中，通過獲取激光光束進入CCD成像系統后的光斑位置偏移量可以實現待測設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，若望遠鏡光軸平行性存在較大的偏差則應先通過光學校正系統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的光軸平行性檢測法

基于視頻圖像處理技術的望遠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、檢測計算機以及圖像檢測器等組成。將專用投影靶板放置在遠處，調整光電成像系統對準該投影靶板；將視頻圖像檢測器布置在激光測距機的光路內，使用激光發射器調整激光光束處于視頻圖像檢測器檢測范圍內即可得到高亮度激光束出射點成像，調整成像系統保證激光光束出射點成像具有足夠的清晰度以滿足檢測要求；使用檢測計算機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鏡光軸分劃點；通過圖像匹配處理算法可以得到望遠鏡光軸相對于激光測距機光軸的偏差大小，通過調整望遠鏡的光軸分劃即可校正其光軸的平行性偏差。

2.3 數字視頻圖像光軸平行性檢測法的應用優勢

相較于傳統的望遠鏡或其他光學儀器的光軸平行性檢測方法，新型數字視頻圖像光軸平行性檢測法在實踐應用中具有以下優勢：

（1）數字視頻圖像光軸平行性檢測法檢測原理更加先進，在實踐應用中具有更好的檢測精度與智能性；（2）數字視頻圖像光軸平行性檢測儀器的外形尺寸與質量更小，并且隨著電路集成度的不斷提高未來還可以進一步縮小望遠鏡光軸平行性檢測平臺的體積；（3）具有更好的適用性，在檢測時無需進行過多的調整即可完成光軸平行性檢測，且可以實現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，無需進行專門的培訓；（5）能夠有效排除外部環境中溫濕度的干擾，具有良好的抗惡劣環境性能。

3 結語

綜上所述，望遠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、沖擊或者望遠鏡內部零件磨損的影響望遠鏡光軸平行性會出現一定的偏差，科學而精準的光軸平行性檢驗理論是校正望遠鏡光軸的基礎。在現代光學技術、微電子技術以及圖像處理技術等快速發展的背景下，一些新興技術應用到望遠鏡光軸的檢驗中，顯著地提高了望遠鏡光軸檢測的靈敏度與操作便捷性。