瞄準鏡光學系統的研究現狀*

朱 昱， 王 成， 倪紅軍

(南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

瞄準鏡光學系統性能的優劣直接影響瞄準鏡的性能[1,2]。最初瞄準鏡的光學系統是由一個或多個光學元件(如透鏡、棱鏡、反射鏡等)按照一定次序組合成的具有光學功能的系統，之后結合多種紅外技術、光電技術和傳感技術演變為多功能光學系統，按其發展階段可分為光學瞄準系統、紅外熱成像光學系統、激光測距光學系統、變焦光電光學系統等。當前，瞄準鏡光學系統的研究愈來愈受到重視，一方面可以提高瞄準鏡的綜合性能，另一方面對于我國武器裝備的發展具有重要意義。目前，結合高新技術(如微光、紅外、激光等技術)對瞄準鏡光學系統進行深入研究，研制出了能夠實現智能化、高精度定位、全天候觀測、激光測距、實時信息傳輸等功能的綜合瞄準鏡光學系統[3～5]。

本文綜述了不同發展階段的光學系統在瞄準鏡領域中的研究與應用。

1 白光瞄準光學系統

早期的白光瞄準光學系統是在開普勒望遠系統的基礎上發展而來，應用物理光學、幾何光學原理以及簡單的電路、光源等，對遠處目標進行放大識別達到精確瞄準射擊的目的。當時，由于科學技術的限制，白光瞄準系統同樣也存在著不足，如,射手的視場受局限、沒有適當的放大倍率、易損壞等。研究者們在早期白光瞄準光學系統的基礎上不斷研制出一系列性能優異的瞄準鏡[6]。

20世紀初，英國學者研制出L9A1式瞄準鏡，其光學系統采用氣體氚作為可調光源照亮分劃板來達到目標與瞄準分劃有合適的亮度比，能夠實現對目標進行4倍放大。如今，已經研制出由物鏡組、分劃板、目鏡組、變倍轉像組構成的白光瞄準光學系統。光學系統的調節手輪的每一檔采用小調節量設計，每組透鏡采用高級光學材料，物鏡采用調焦機構的設計，光學元件采用高透過率膜設計，不僅使瞄準鏡能夠消除視差，還具有高分辨力和高瞄準精度[7]。

目前，世界各國輕武器普遍裝備有機械瞄準具，但重點裝備的仍是普通光學瞄準具，因此，仍有學者對白光瞄準光學系統的性能進行進一步的提升。未來白光瞄準光學系統應朝著系統智能化、結構簡單化、功能全面化方向發展，有利于瞄準鏡對遠距離目標進行更好的觀察瞄準。

2 紅外熱成像光學系統

紅外熱成像光學系統是根據目標各個部分之間的熱輻射差或溫差來實現探測和發現目標，其觀察效果不受環境條件的制約，且可全天候對目標進行偵察。相比于白光瞄準光學系統，紅外熱成像光學系統具有獨特的優勢，如可穿透煙霧對目標進行觀察，能識別偽裝，隱蔽性好等[8～12]。因此，熱成像瞄準鏡紅外光學系統具有廣闊的應用前景。

美國陸軍夜視和電子光學局開發的一種采用模塊式結構的紅外熱成像光學系統，可用于防空導彈系統、周邊檢測器、遙控飛行器監視器等。該系統采用8個大規模集成電路使瞄準鏡的質量大幅度減少，采用PEEK材料的衍射光學透鏡進一步減輕了系統質量、降低了系統成本，可實現對2 200 m外的目標進行偵察[13]。

王堃等人[14]利用透鏡焦距隨溫度不同而變化的規律設計了在8～12 μm波段工作的折/衍混合無熱化紅外光學系統。為了使系統滿足輕量小型的要求，光學系統采用一次成像技術，由4片物鏡構成，光學材料組合為：Ge-ZnS-Ge-ZnSe，其中兩個表面采用高次非球面，一個表面為衍射面。結果表明：紅外系統在40～60 ℃溫度范圍內不僅能在較寬溫度范圍內得到接近衍射成像質量，而且與采用球面透鏡的光學系統相比，具有結構簡單、體積小、質量輕等優點，符合無熱差要求。陳瀟等人[15]對長波紅外大視場大相對孔徑光學系統進行研究，采用320×240非制冷長波紅外焦平面陣列探測器，設計了一個由3片非球面鍺鏡組成、工作波段為8～12 μm、焦距為6 mm的紅外物鏡。結果表明，光學系統在滿足光焦度要求的前提下又消除了軸向色差，采用反遠距型結構使全視場角可達到160°，用于大范圍目標的觀察；非球面的使用，使光學系統照度均勻、結構更加緊湊，并且進一步提高了系統的成像質量。

還有學者對非制冷紅外光學系統進行研究。付躍剛等人[16]結合紅外與變倍特性完成了紅外雙視場光學系統的設計。紅外光學系統采用德國AIM公司的長波非制冷探測器接收紅外信號，由6片球面型透鏡組成，紅外材料選擇為Ge，ZnSe及AMTir3，系統總長為295 mm，最大元件口徑為76 mm。實驗結果表明，紅外雙視場瞄準鏡光學系統在-40～+60 ℃范圍內均有良好的成像質量，環境適應性強。孟劍奇[17]為了研制高性能、高像質光學系統的同時，盡可能減小系統的體積、質量，設計出了6倍變焦中波雙視場紅外熱成像光學系統。光學系統利用光學鏡組沿軸快速平行移動實現大小視場切換，引入衍射光學和非球面光學設計技術盡可能減少光學零件的數量和大小。該系統的結構布局采用光機結構一體化設計，在透鏡間引入兩個非球面和非球面基地基諾衍射表面來優化系統的色差及像差。研究表明，紅外熱成像光學系統在3.7～4.8 μm波段內可實現100 %冷光闌效率，系統像差和色差得到優化，且在-45～+55 ℃的溫度范圍內仍然能清晰成像。相比于光學瞄準系統，紅外熱成像光學系統可全天候觀測目標，采用新型材料及非球面的鏡片設計進一步簡化了系統結構和降低了系統質量，具有結構緊湊、成像質量好、瞄準精度高等優點，使瞄準裝置的綜合性能得到大幅度提升。

紅外熱成像光學系統是最受關注、研究最多的被動夜視紅外技術，具有便于攜帶、可靠性好、功耗造價低等優點。目前，如何采用一定的補償方法或者特殊設計使光學系統在一個較大的溫度范圍內成像質量不變化或者變化很小是紅外熱成像光學系統的一個難點，也是國內外學者亟待研究、解決的難題。

3 激光測距光學系統

激光測距光學系統是對計算機技術、激光技術等多門技術的綜合運用，利用射向目標的激光脈沖或連續波激光束來測量目標距離。激光測距光學系統與一般瞄準分劃測距系統技術相比較有以下幾個顯著優勢：1)測距精度高，激光測距系統精度不受被測距離的影響，且具有測程遠、密封性好、可靠性高等特點；2)具有很高的分辨力和很強的抗干擾能力，并且不受微波在地面附近產生多路徑效應的影響及地面物體的干擾；3)安裝調整方便，穩定性高[18～20]。

由于激光測距系統廣泛應用于軍事領域，國內外諸多相關機構都開始著手研究激光測距系統的相關工作[21]。奧地利斯瓦洛夫斯基光學公司研制出LRS激光測距瞄準鏡光學系統，在光學系統的目鏡和物鏡之間放置了一個特殊的分束棱鏡，使瞄準鏡的光軸和激光測距儀的光軸重合，激光從瞄準鏡的物鏡發射出去，并通過同一物鏡接收反射回來的激光脈沖。結果表明，光學系統測距范圍為600 m，測距精度為±1 m，可在-10～50 ℃范圍內工作，具有質量輕、測距速度快、便于調整等優點。挪威研制出西姆拉德激光測距光學系統，系統內裝有計算機及二極管激光測距儀，有多種彈藥彈道預編的程序。研究發現，光學系統視場為13.6°，瞄準精度為±0.5密位(1密位=0.06°)，可提供即時的準確數據，且靜止或運動目標的距離均會顯示在顯示板上，可更好地適應戰場條件的變化。加拿大研制出裝有計算機的激光光學瞄準系統，由激光測距儀、電子光學模塊及彈道計算組裝而成，且裝有武器側傾傳感器。結果表明，激光瞄準光學系統測距范圍在4 km內，具有牢固、質量輕、易于操作，提高遠射程射擊命中率等優點，同時，不僅可以改善武器系統的性能而且提供了一種低費效比方法來改進在役武器系統，以適應作戰要求的變化[22～24]。

黃小平[25]通過在瞄準鏡上安裝激光發射器，在白光瞄準鏡光學系統的基礎上研究出一種激光測距光學系統，研究系統成像的質量及光能的損失、透過率問題。結果表明，在光學瞄準鏡系統中安裝2塊分光棱鏡，激光發射器連接在處理單元上時，新型激光測距光學系統可以實現激光測距的數值在視場中顯示，且透過率較高，光能損失很小，成像質量得到改善。相比于可全天候工作的紅外熱成像光學系統，激光測距光學系統具有測距范圍大、分辨率高、穩定性高等優點。

激光測距瞄準鏡光學系統能夠實現對現代軍事打擊目標距離的精確測量，具有很高的精度和良好的抗干擾性。目前，激光測距光學系統正朝著自動化、智能化、小型化方向發展，將更加廣泛應用于輕武器瞄準裝置。

4 紅外變焦光學系統

紅外變焦光學系統是在可見光變焦系統的基礎上發展而來，可實現在變焦過程中像面位置保持不變，且像質保持良好的光學系統，可兼顧對目標的大視場搜索和小視場瞄準跟蹤要求[26～31]。與可見光波段光學系統相比，紅外變焦光學系統具有顯著優勢：1)可全天候工作；2)具有良好的煙霧、塵埃穿透能力；3)具有長距離探測能力及揭示偽裝能力[32～35]。

Zhang T等人[36]采用二次成像系統及變焦物鏡設計了一種3.7～4.8 μm波段的透射式紅外變焦光學系統，其變倍比為6，最小焦距為22 mm。該系統由7片材料為鍺、硅的透鏡組成，利用2個平面反射鏡光路折疊來減小尺寸，引入非球面來消除軸外像差，且探測器敏感元接受面的能量集中度大于80 %，因此，系統具有良好的成像質量。王巍等人[37]采用機械補償的方法，引入非球面和衍射面，設計了在8～12 μm波段工作的由5片采用負組補償型式透鏡組成的折射式紅外連續變焦光學系統。結果表明，系統在變焦過程中相對孔徑保持不變，變倍比為3︰1，焦距為30～150 mm，結構進一步簡化、成像質量進一步提高。趙坤等人[38]針對紅外變焦光學系統短焦部分冷反射嚴重的問題，設計了一種雙孔徑大變倍比紅外變焦光學系統，短焦和長焦分為2個孔徑，短焦的前端主物鏡通過一個45°反射鏡使光路轉折，短焦切換組采用翻轉變倍機構實現變倍，同時與長焦系統共用后端部分。結果表明，雙孔徑紅外變焦光學系統變倍比為10︰1，焦距為30～300 mm，具有100 %冷光闌效率，像質好、變倍比大、結構緊湊、變焦時間短等特點。

紅外變焦光學系統在焦距連續變化的過程中不丟失目標信息且保持像質良好，對進一步提升瞄準鏡的綜合性能十分有利。在今后紅外變焦光學系統發展中，多采用新型玻璃、非球面等技術增大孔徑；采用人造晶體、多種透鏡組合、多種變焦形式提高變倍比；運用光闌移動、高折射率非球面化玻璃面型等使系統小型化；綜合運用計算機自動設計與高精度數控機床技術完成透鏡凸輪曲線設計來提高成像質量。

5 結束語

隨著瞄準鏡光學系統研究的不斷深入，輕武器瞄準裝置的性能也會得到不斷發展。為了適應未來復雜戰場環境的需要，達到全天候的精確搜索、瞄準、射擊的目的，國內外學者積極探索光電綜合瞄準鏡，各種各樣的瞄準鏡都應用了光學、光電技術。為了進一步拓展光學系統在瞄準鏡中的應用，還需要圍繞以下幾個方面做進一步的研究：

1)研制結構簡單、體積小、智能化、高靈敏度及適用范圍大的全天候瞄準鏡光學系統。

2)深入研究由晝夜光學系統、測距系統及計算機組成的綜合瞄準鏡光學系統，綜合應用多種傳感技術和光電技術，實現高精度目標定位、彈道解算、信息傳輸及環境感知等，以便為發展和軍事應用提供可靠的科學依據。

3)瞄準鏡光學系統應朝著全方面發展，不僅可以實現高精度、全天候觀測及快速瞄準，而且應使瞄準裝置具有高機動性能、隱身性能，使武器裝備被雷達發現和鎖定的概率大幅下降，獲得壓倒性的不對稱優勢；同時，還應朝著智能自動檢測自修復的方向發展，使武器裝備維修保障成本大幅度縮減，作戰效能大幅上升。

總之，瞄準鏡光學系統技術正處在快速發展階段，未來要不斷地結合多種學科知識改進瞄準鏡的性能，以期使武器裝備發揮更大的效益。