棱镜式望远镜光轴平行性检验分析

吴淑巧

（广州计量检测技术研究院，广东 广州 510663）

0 引言

双目望远镜光轴平行性会直接影响到其观测效果，望远镜国家标准中规定双目望远镜出射光束平行性应不低于5.1，但是在生产加工过程中由于加工误差的影响会导致两个光轴平行性存在一定的偏差。同时，望远镜作为一种轻便的可随身携带的观测仪器，在使用过程中难免会发生碰撞、撞击，随着使用时间的延长其内部零部件还会出现不同程度的磨损导致其动态精度下降。为了消除以上因素对望远镜光轴平行性的影响，就需要对望远镜进行光轴平行性检验与校正。目前相对较为常见的光轴平行性检验方法有投影靶板法、激光光轴仪法、五棱镜法以及微动原理法等，利用这些方法制成相应的光轴平行性检测平台即可实现快速的光轴平行性检测[1]。

1 望远镜光轴平行性检验方法

1.1 棱镜微动理论法

光学系统内的部件微动过程中物像共轭关系变化可以用透镜与棱镜的成像理论来解释，但是该理论在现实中的应用会受到较多的因素干扰。光学仪器设备中棱镜的微动往往是绕某个固定轴做旋转运动，假定旋转轴的位置为无穷远，此时可以认为棱镜的旋转运动可近似视为平动。为了简化棱镜的旋转运动，建立如下图1所示，表示动参考坐标系，则表示静态参考坐标系，坐标系代表像空间。

图1 空间参考系

为了简化光学系统内零件微动所产生的一系列成像理论与光学零部件调整问题，首先需要简化其中的高阶微量。经过光学领域研究人员的反复论证总结得到的光学零件微动时物像的共轭关系的改变规律可以为光学仪器的校正提供很好的依据[2]。

1.2 投影靶板法

利用投影靶板法检验望远镜光轴平行性的原理，将一靶板布置在远处，使待测望远镜出射激光束能够照射在靶板上。望远镜光轴的间隔关系会反应在靶板上，顺着光路观察可以看到靶板上投影点是望远镜光轴的镜像，通过比较光轴在靶板上投影的间隔关系即可实现望远镜光轴的检测。该方法同时适用于室内与室外检测。

1.3 激光光轴仪法

使用激光光轴仪测量望远镜光轴平行性的原理示意图如下图2所示。激光发射器发出的高亮度光束先后沿着反光镜1、折光镜2以及斜方棱镜3后进入望远镜7。高亮度光束进入望远镜目镜后从物镜端射出后再由反光镜4回到望远镜中，再经过斜方棱镜3、折光镜2最后经过反光镜5后达到显示屏6上。若经过双目望远镜的两束高亮度光束最终落在显示屏6上同一个位置则表示望远镜光轴平行性较好，若不在同一位置则表示望远镜光轴存在偏差[3]。

图2 激光光轴仪法原理示意图

1.4 平行光管法

平行光管检测仪主要结构示意图如下图3所示，分别使用白光成像装置与热成像装置在某一固定位置并在合适的光环境条件下观测远处同一目标，如果待观测目标在检测仪中的成像位于望远镜十字分划线的交点位置，则认为望远镜光轴平行性较好。受限于待检设备成像需要全部处于测试仪器视野内的影响，常需要使用大口径平行光管。

图3 平行光管检测仪

2 数字视频图像光轴平行性检测法

在光学检测技术与图像、视频处理技术快速发展的背景下，逐渐衍生出了具有智能化、小型化特征的现代数字视频光轴平行性检测方法，这一类检测方法不但能够实现较高的检测精度，还具有良好的可操作性[4]。

2.1 激光光轴与CCD成像光轴检测法

激光光轴与CCD成像光轴检测法应用于望远镜光轴平行性检测原理示意图如下图4所示。射出的激光光束经两次90°反射后进入CCD成像系统中，通过获取激光光束进入CCD成像系统后的光斑位置偏移量可以实现待测设备的光轴平行性检测与校正。该方法主要适用于光轴平行性偏差较小情况下的精确校正，若望远镜光轴平行性存在较大的偏差则应先通过光学校正系统粗校后再使用该方法完成精校。

图4 外场光轴一致性检测仪

2.2 基于视频图像处理技术的光轴平行性检测法

基于视频图像处理技术的望远镜光轴平行性检测法主要由光电传感器、投影靶板、激光测距机、检测计算机以及图像检测器等组成。将专用投影靶板放置在远处，调整光电成像系统对准该投影靶板；将视频图像检测器布置在激光测距机的光路内，使用激光发射器调整激光光束处于视频图像检测器检测范围内即可得到高亮度激光束出射点成像，调整成像系统保证激光光束出射点成像具有足够的清晰度以满足检测要求；使用检测计算机采集并处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与望远镜光轴分划点；通过图像匹配处理算法可以得到望远镜光轴相对于激光测距机光轴的偏差大小，通过调整望远镜的光轴分划即可校正其光轴的平行性偏差。

2.3 数字视频图像光轴平行性检测法的应用优势

相较于传统的望远镜或其他光学仪器的光轴平行性检测方法，新型数字视频图像光轴平行性检测法在实践应用中具有以下优势：

（1）数字视频图像光轴平行性检测法检测原理更加先进，在实践应用中具有更好的检测精度与智能性；（2）数字视频图像光轴平行性检测仪器的外形尺寸与质量更小，并且随着电路集成度的不断提高未来还可以进一步缩小望远镜光轴平行性检测平台的体积；（3）具有更好的适用性，在检测时无需进行过多的调整即可完成光轴平行性检测，且可以实现多光轴平行性的同步检测；（4）对操作人员的技能水平要求不高，无需进行专门的培训；（5）能够有效排除外部环境中温湿度的干扰，具有良好的抗恶劣环境性能。

3 结语

综上所述，望远镜光轴平行性会直接影响到物像观测效果。在实际使用过程中由于受零部件加工误差，使用过程中振动、冲击或者望远镜内部零件磨损的影响望远镜光轴平行性会出现一定的偏差，科学而精准的光轴平行性检验理论是校正望远镜光轴的基础。在现代光学技术、微电子技术以及图像处理技术等快速发展的背景下，一些新兴技术应用到望远镜光轴的检验中，显著地提高了望远镜光轴检测的灵敏度与操作便捷性。