一种牛顿式激光发射机光轴校准装置的制作方法

1.本发明涉及武器装备，具体涉及一种牛顿式激光发射机光轴校准装置。


背景技术：

2.在武器的实际射击中，射手操作武器准确瞄准目标后，发射子弹即可击中目标，也即瞄准点和命中点是重合一致的。
3.在激光对抗交战训练中，用激光来模拟子弹的射击来进行训练。武器上安装了激光发射机，发射的激光来模拟武器发射的子弹，在靶标或目标上安装有传感器，激光命中目标时传感器即可感知到并输出信号，通过此信号来判断是否命中目标，由此进行射击训练。
4.常见的激光发射机安装在枪管上或炮管上。当射手向目标瞄准发射激光时，激光应准确击中目标。这样才能和实际作战效果相同，达到训练的目的。因而，激光的命中点和瞄准线是否一致则非常重要，直接影响到射击训练的效果。为此所有的激光发射机都要进行光轴的校准，使得激光发射点和瞄准点准确重合一致。要达到该效果，就必须有相应的仪器装置，来检测该性能是否符合要求。
5.为了达到瞄准点和激光命中点一致的要求，通常激光发射机中都具备光轴的调整功能，使得瞄准光路指向(光轴)可调，或激光发射光路光轴可调，有的是两者都具备调节功能。常见的校准方法有：
6.直接观察法：在较远的距离上，先将瞄准点对准目标，再通过观察设备或传感器找到激光的光斑，根据光斑偏离目标的位置，调整发射机的瞄准光轴或激光发射光轴，再次检查两者的偏离量，观察激光的光斑是否和瞄准点重合。若还有误差，则继续修正，直至完全重合。这种方法效果直接明了，但是方法比较原始、效率很低，也容易受外界环境的影响。
7.仪器检测法：激光发射机的校准，通常其最终目的就是使激光发射光轴和瞄准线(或瞄准光轴)平行。当激光发射光轴和瞄准光轴平行时，激光光斑在远近不同的距离上都能很好地覆盖瞄准点，因此激光发射机的校准通常都是采用此平行法原理。为了检测两者的平行度，人们设计了一些仪器装置，如“cn107238355a一种棱镜反射式校准仪及其校准方法”，在该方法中，作者巧妙地利用了三垂棱镜的特性，即棱镜在任意姿态下保持入射和出射光路平行的特征，解决了小窗口尺寸下满足瞄准线和激光发射光轴间距可调的问题。但是由于该三垂棱镜加工磨制困难，成本高，因此不利于大批量生产应用。
8.对于瞄准和激光发射光轴平行性校准，激光测距机有类似的需求，例如，在专利“cn212694025u一种激光测距校准仪”中，作者应用了透射式平行光管和分光光路进行检测，可以达到相应的测定校准效果，但是所需的光学元件精度要求高，系统搭建复杂，还因为透射式平行光管容易产生波长不同引起的色差，即观瞄的可见光和发射的红外激光在平行光管中有聚焦成像误差，影响系统的最终精度。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提出一种牛顿式激光发射机光轴校准装置。
10.实现本发明目的的技术解决方案为：一种牛顿式激光发射机光轴校准装置，采用牛顿式望远镜光学结构，并将观察光路和激光成像光路合一，包括镜筒、目标分划板、大视场摄像头、小视场摄像头、显示屏和控制盒，其中：
11.所述镜筒内设置主镜和次镜，主镜为凹面反射镜，次镜为平面反射镜，并与光轴成45
°
倾角；
12.所述目标分划板位于主镜焦点f处，其上印制目标图形，该目标图形通过主镜后能产生一个无穷远的目标，供操作者观看瞄准；
13.所述大视场摄像头、小视场摄像头位于主镜焦点f前方的镜筒两侧，用于直接观察目标分划板和成像在上面的激光光斑；
14.所述控制盒与大视场摄像头、小视场摄像头和显示屏连接，用于向摄像头供电并接入视频图像信号，同时将接入的视频图像信号送入显示屏进行显示。
15.进一步的，所述大视场摄像头能观察到a角度范围内的景象，角度a的取值在30
°
～70
°
；小视场摄像头能观察到b角度范围内的景象，角度b的取值在2
°
～10
°
。
16.进一步的，还设置入口摄像头和毛玻璃板，其中入口摄像头设置在镜筒内，将毛玻璃板固定在镜筒的入口处，通过入口摄像头能够观察到整个毛玻璃板，以此确定入射激光束的入射情况。
17.进一步的，所述控制盒和显示屏组合在一起，其中控制盒上设置开关，用于打开或关闭整套装置的电源，控制盒还安装有换挡开关，用于切换摄像头。
18.一种牛顿式激光发射机光轴校准方法，基于所述的牛顿式激光发射机光轴校准装置，实现激光发射机光轴校准，具体过程如下：
19.调整激光发射机(1)，向镜筒(2)内的远方目标瞄准，确保准确瞄准目标；
20.准确瞄准目标后，控制激光发射机发射激光光束，激光束经主镜(3)和次镜(4)的反射打在目标分划板(6)上，在目标分划板(6)上形成激光光斑；
21.此时，切换大视场摄像头(7)，调整激光发射机的整机姿态角度，或激光发射镜筒(1-2)的方向，使得激光光斑进入目标分划板(6)的中心区域，再切换小视场摄像头(8)，进一步调整激光光斑，使得激光光斑中心在目标分划板(6)的目标图形中严格居中，此时即完成了激光发射机的两个光轴的校准工作。
22.进一步的，上述的过程为先操作激光发射机(1)将瞄准镜(1-2)准确瞄准目标，再调整激光将激光光斑打在目标中心。某些情况下，也可以反过来，先将激光光斑打在目标中心后，再调整激光发射机(1)，使瞄准镜(1-2)光轴对准目标中心，同样达到校准激光发射机的效果。
23.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本装置结构简单，构造方便。相对与其他种类的校准设备，本装置设计巧妙，制作加工方便容易，没有难以加工的部件，容易形成规模产品。2)本装置易于操作，由于观察搜索目标直观、方便，同时档位切换非常简单，操作方便。3)本装置由于采用了反射式光学结构，不会产生因红外光和可见光的波长差异带来的成像偏差，彻底解决了透射式系统中因波长不同而产生的色差问题，最终装置的工作精度也得到了提高。4)本装置采用了瞄准和激光成像两个光路共用一个主镜的方法，实现了两个光路合二为一，避免了产生两个分立光路的误差，有利于本装置的工作精度保证。
附图说明
24.图1为激光发射机的校准原理示意图。
25.图2为牛顿式望远镜结构原理图。
26.图3为系统整体布局图。
27.图4为校准测量状态图。
28.图5为大视场摄像头所观察到的空白图像。
29.图6为小视场摄像头所观察到的空白图像。
30.图7为大视场摄像头所观察到有激光光斑的图像。
31.图8为大视场摄像头所观察到激光光斑调整到中心区的图像。
32.图9为小视场摄像头所观察到有激光光斑的图像。
33.图10为小视场摄像头所观察到有激光光斑已经准确位于中心位置示意图。
34.图11为瞄准镜中的瞄准分划示意图。
35.图12为瞄准镜对准目标分划中心时，瞄准镜中看到的图样。
36.图13为激光入射位置观察的示意图。
37.图14为激光束在入射口偏离状态显示的示意图。
38.图15为控制盒显示屏的示意图。
39.附图中序号标记含义：
40.1-激光发射机，1-1瞄准镜，1-2激光发射镜筒，2-镜筒，3-主镜，4-次镜，5-目镜，6-目标分划板，7-大视场摄像、8-小视场摄像头，9-入口摄像头，10-毛玻璃板，11-显示屏，12-控制盒。
41.附图中字符标识含义：
42.l-激光发射光轴，a-瞄准光轴，e-眼睛，f-焦点，p-激光光斑(光点)，t-镜筒入口台阶，a-大视场视场角，b-小视场视场角，c-入射口视场角，pr-入射口激光束截面，s-入射激光束，k-开关，d-大视场档位，x-小视场档位，g-入口视场档位。
具体实施方式
43.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
44.为了达到构造简单、精度好且易操作的效果，本发明设计了牛顿反射式激光发射机校准装置。本装置根据牛顿反射式望远镜的基本结构，设计了目标分划板、多路图像采集装置，解决了可见光和红外光波长差异产生的色差问题，并给使用者提供了多种便利操作方法，确保了光轴校准精度且提高了工作效率。
45.如附图1所示，激光发射机1通常包含瞄准镜1-1和激光发射镜筒1-2。激光发射机的校准工作，就是通过校准检测装置的观测，调整激光发射机的激光发射镜筒1-2光轴l和瞄准镜1-1的瞄准光轴a，使得两者为平行状态。
46.经典的牛顿式望远镜的结构如附图2所示。牛顿式望远镜采用主反射镜成像再观察的原理。镜筒2中包含有主镜3、次镜4和目镜5。主镜3为凹面反射镜。次镜4为平面反射镜，并与光轴成45
°
倾角。在次镜4正对的侧面开孔通光，并安装有目镜5。远方的光线经主镜反
射后汇聚，再经过次镜4的反射转折，在侧面汇聚成像，该中心聚焦点即主镜3的焦点f，通过该焦点并垂直于光路的面为焦平面，所成的像即在焦平面上。该像通过目镜5观察，就可看到放大后的远方的景像，即实现了望远镜的基本功能。
47.经典的牛顿式望远镜是用透射的方式观看图像，即在焦点f后面通过目镜5观察透射过来的图像。本发明装置则采用反射式的观察方式，进行观测图像，与常规的牛顿式望远镜有本质的不同。
48.本发明装置采用基本的牛顿式望远镜光学结构，将观察光路和激光成像光路合一，共用一个主镜进行成像。镜筒2中包含有主镜3和次镜4。主镜3为凹面反射镜。次镜4为平面反射镜，并与光轴成45
°
倾角。
49.本发明装置没有目镜，该部位附近设计了目标观察机构，结构如下：设计了目标分划板6、大视场摄像头7、小视场摄像头8。同时还设计了入口摄像头9和毛玻璃板10。如附图3所示。上述摄像头的信号都接入控制盒12，通过控制盒12的切换开关，将选择的摄像头的图像切换显示在显示屏11上。
50.目标分划板6是一个白板，在上面印制了目标图形，如附图5所示。本装置在焦点f的前方两侧布设了大视场摄像头7和小视场摄像头8，直接观察目标分划板6和成像在上面的激光光斑。因此该两个摄像头所观看到的都是从目标分划板6上的反射光而形成的图像。
51.校准测量状态如附图4所示，此时，将入口毛玻璃板10移开放置于一边，可让激光束l直接射入大镜筒2。在主镜焦点f处，布设了目标分划板6，目标分划板6上有分划图形，见附图5。(图像是示例，可以按需要设计具体不同的图形。)在附图4中，观察者在l或a处，向镜筒2内看去，可看到在远方有一个放大的图形，就是附图5所示的图形。该远方的图形即可给校准工作时提供目标，工作人员操作激光发射机，用瞄准镜对此目标进行瞄准、发射激光。
52.如上所述，目标的生成是通过目标分划板经主镜的成像而产生的；入射的激光经主镜的汇聚后成像在目标分划板上，因此目标观察光路和激光成像光路两者通过主镜合一而工作，共用了主镜同一个光学元件。
53.如附图4所示，在镜筒2侧面的位置，安装了大视场摄像头7和小视场摄像头8。由于这两个摄像头的观察视角大小不同，所观察到的范围也不一样。大视场摄像头7能观察到a角度范围内的景象，在没有发射激光时，可看到如附图5所示的图形，也即目标分划板全部的图样。小视场摄像头8能观察到b角度范围内的景象，如附图6所示，也即目标分划板6的中心区域部分，因此该图像即是放大显示了附图5的中心区域的图像，可以看清该中心区域的更多细节，因此提高了中心区的观测精度。
54.观察到的角度范围主要和摄像头上的镜头焦距有关，相同的摄像头配短焦镜头则观察到的视场角大，配长焦镜头则观察视场角小。如同照相机拍摄广角场景时，可配短焦距的鱼眼镜头；反之拍摄远处的小物体(如远方的小鸟，对于相机来说视场角很小)，则需配置长焦镜头。在本发明中，视场角a可以在30
°
～70
°
，例如在该摄像头输出的画面中能看到70
°
的视角范围时，激光如果打在目标分划板6的边缘角落都能被看到发现。视场角b可以2
°
～10
°
左右，例如按3
°
的视场角，则摄像头的画面只显示目标分划板上的一小块区域，这个小区域充满了画面，因此其中的细节就可以看得很清楚。
55.如附图4中所示，将入口毛玻璃板10移开后，在镜筒2的入口处向里观看，即可看到如附图5所示的目标图形，该图形呈现在无穷远的远方。激光束可以直接射入镜筒2，向远方
的目标进行发射激光，此时激光束经主镜3和次镜4的反射打在目标分划板6上，即可被大视场摄像头7所拍摄到，通过显示屏可看到如附图7所示的图像，其中p为激光光斑(光点)。
56.激光发射机架设后，初次打入的激光点都具有随机性，不可能准确打在目标分划板的中心，一般会出现在任意位置，如附图7所示的右上角方位，而不在中心的方框区域。这种偏离中心区较远的激光光斑，在小视场摄像头的图像中就会观察不到。调整激光发射机在整机姿态角度，或激光发射镜筒1-2的方向，使得激光光斑进入中心的方框区域，如附图8所示。此时切换显示小视场摄像头的图像，就将看到如附图9所示的图像。再进一步调整激光光斑，使得激光光斑中心在方框中严格居中，如附图10所示，此时即达到了激光准确打中目标中心的效果。此时即完成了激光发射机的两个光轴的校准工作。
57.在上述的观测过程中，大视场摄像头7用于观察搜索激光光斑，小视场摄像头8则用于对中心区的激光光斑位置进行放大观测，进行精确的光斑调整工作。
58.在附图4中，人眼e向瞄准镜1-1中观看，可看到瞄准镜自身的分划线，如附图11所示的十字线，十字线的交叉的即瞄准点，该瞄准点所指方向即该瞄准镜的瞄准光轴方向。当瞄准镜1-1向镜筒2内瞄准，准确瞄准目标分划中心时，瞄准镜中应看到如附图12所示样式，即十字交叉瞄准点位于目标方框的中心点。
59.本发明装置既可使得激光发射机瞄准目标，又能将激光点的命中位置显示出来。当瞄准镜如附图12所示瞄准目标，同时在小视场摄像头的图像中看到如附图10所示的激光光斑居中状态，即表明该激光发射机的激光发射光轴和瞄准光轴达到了准确的平行状态，完成了激光发射机的光轴校准。
60.某些情况下，也可以反过来，先将激光光斑打在目标中心后，再调整激光发射机(1)，使瞄准镜(1-2)光轴对准目标中心，同样达到校准激光发射机的效果。
61.由于通常激光束为红外光，人眼不能直接看到它的位置，有时会出现如附图13所示的情况，即激光发射机偏离合适位置，已经偏离至左侧边缘，这样激光束就不能完整入射镜筒，有的甚至完全没有入射，导致发生光束不完整、光斑弱或找不到光斑等问题。为了防止出现此问题，本发明设计了入口摄像头进行观察。在镜筒的入口边缘设计了入口台阶t(如附图4中所示)，将毛玻璃板10放入该台阶t中，如附图13所示。在镜筒2内布设了入口摄像头9，对安装在入口台阶上的毛玻璃板10进行观察，该入口摄像头9具有相应的视场角c，可以将整个毛玻璃板都观察到，由此来观察入射激光束的位置。
62.入口摄像头9的位置在镜筒2的入口内侧，距离边口的深度适当。该摄像头的作用是要观看毛玻璃板10，尽量能看全部，遮挡部分少。当该摄像头位于距边口较深部位，离开毛玻璃板，靠近主镜3，这时输出的图像较好形变小，但是当位置太深时，摄像头观察范围容易被次镜4遮挡。当该摄像头位于距边口较浅部位，靠近毛玻璃板时，镜头需要用很短焦距，输出的图像容易形变。因而入口摄像头9的位置应位于距离边口尽量深，且又不受次镜遮挡的位置。
63.如附图13所示，当激光束打在入口的边缘，其状态即可被入口摄像头9拍摄到，在显示屏11上即可看到实况。如附图14所示，激光束在毛玻璃板上已经不是完整的圆形，有一部分在入口边缘的外侧，不能正常进入镜筒工作。因此可以通过该入口图像观察，检查激光发射机位置是否合适，若出现偏离就调整激光发射机位置，使得激光束完整入射，由此提高了系统的工作效率和准确度。一般由于激光为红外光，人眼看不见它打在哪里，以往经常会
出现找不到光束而浪费很多时间的情况，设计了入口摄像头9以后，可以快速找到光束位置，从而大大提高了工作效率。
64.如附图15所示，控制盒12和显示屏11组合在一起，便于操作和观看。控制盒12上有开关k，可以打开或关闭整套装置的电源。盒体上安装有换挡开关，分别指向“d”、“x”、“g”，相应的档位表示控制盒与大视场摄像头7、小视场摄像头8和入口摄像头9进行电路联接，向该摄像头供电并接入该路视频图像信号，同时将接入的视频图像信号送入显示屏11进行显示。附图15表示了显示大视场图像的样式。附图13和附图4分别表示了入口视场和小视场的档位状态与图像样式。
65.上述的校准方式主要是针对有瞄准镜的激光发射机，有些激光发射机则是可能配置了其他瞄具或没有瞄具。对于这类无瞄准镜的激光发射机，用本装置同样可以进行激光光轴的校准。例如某种最简单的激光发射机，安装在步枪上，此时进行如下方法校准：让射手用枪上的准星瞄准对准镜筒2内的目标方框的中心并保持枪体不动，调整发射机的激光点移动，最后在小视场图像中看到激光光斑居中时，即完成了该枪与激光发射机的校准。有其他瞄准方式的发射机都可用本装置进行校准，最终达到瞄准线和激光光轴的平行效果。
66.综上所述，本发明主要设计点如下：采用牛顿式望远镜结构基本布局，用反射式观察图像的方式进行激光发射机的光轴观测校准。观察光路和激光成像光路合一，共用一个主镜进行成像。设计了大小视场的两个摄像头，用于对激光点的搜索和观测；设计了入射口毛玻璃板和反向摄像头，用于观察入射激光的位置。设计控制盒，包括显示屏。显示屏显示摄像头所拍摄目标的图像；控制盒上包含有换挡开关，可以任意切换显示图像。采用了反射式光学结构，不会产生因红外光和可见光的波长差异带来的偏差，彻底解决了色差问题，最终装置的工作精度也得到了提高。采用了瞄准和激光成像两个光路共用一个主镜的方法，实现了两个光路合二为一，避免了产生两个分立光路的误差，确保了本装置良好的工作精度达成。
67.本发明装置实施例中所展示瞄准线、瞄准图样和分划样式可进行形式变化，不局限于附图所示样式，有类似的变化形式都在本发明装置的保护范围。
68.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
69.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种牛顿式激光发射机光轴校准装置，其特征在于，采用牛顿式望远镜光学结构，并将观察光路和激光成像光路合一，共用一个主镜，包括镜筒(2)、目标分划板(6)、大视场摄像头(7)、小视场摄像头(8)、显示屏(11)和控制盒(12)，其中：所述镜筒(2)内设置主镜(3)和次镜(4)，主镜(3)为凹面反射镜，次镜(4)为平面反射镜，并与光轴成45
°
倾角；所述目标分划板位于主镜焦点f处，其上印制目标图形，该目标图形通过主镜(3)后能产生一个无穷远的目标，供操作者观看瞄准；所述大视场摄像头(7)、小视场摄像头(8)位于主镜焦点f前方的镜筒两侧，用于直接观察目标分划板(6)和成像在上面的激光光斑；所述控制盒(12)与大视场摄像头(7)、小视场摄像头(8)和显示屏(11)连接，用于向摄像头供电并接入视频图像信号，同时将接入的视频图像信号送入显示屏(11)进行显示。2.根据权利要求1所述的牛顿式激光发射机光轴校准装置，其特征在于，所述大视场摄像头(7)能观察到a角度范围内的景象，角度a的取值在30
°
～70
°
；小视场摄像头(8)能观察到b角度范围内的景象，角度b的取值在2
°
～10
°
。3.根据权利要求1所述的牛顿式激光发射机光轴校准装置，其特征在于，还设置入口摄像头(9)和毛玻璃板(10)，其中入口摄像头(9)设置在镜筒(2)内，将毛玻璃板(10)固定在镜筒的入口处，通过入口摄像头(9)能够观察到整个毛玻璃板(10)，以此确定入射激光束的入射情况。4.根据权利要求1所述的牛顿式激光发射机光轴校准装置，其特征在于，所述控制盒(12)和显示屏(11)组合在一起，其中控制盒(12)上设置开关，用于打开或关闭整套装置的电源，控制盒(12)还安装有换挡开关，用于切换摄像头。5.一种牛顿式激光发射机光轴校准方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的牛顿式激光发射机光轴校准装置，实现激光发射机光轴校准，具体过程如下：调整激光发射机(1)，向镜筒(2)内的远方目标瞄准，确保瞄准目标；瞄准目标后，控制激光发射机发射激光光束，激光束经主镜(3)和次镜(4)的反射打在目标分划板(6)上，在目标分划板(6)上形成激光光斑；此时，切换大视场摄像头(7)，调整激光发射机的整机姿态角度，或激光发射镜筒(1-2)的方向，使得激光光斑进入目标分划板(6)的中心区域，再切换小视场摄像头(8)，进一步调整激光光斑，使得激光光斑中心在目标分划板(6)的目标图形中严格居中，此时即完成了激光发射机的两个光轴的校准工作。6.根据权利要求5所述的牛顿式激光发射机光轴校准方法，其特征在于，反过来，先将激光光斑打在目标中心后，再调整激光发射机(1)，使瞄准镜(1-2)光轴对准目标中心，同样达到校准激光发射机的效果。

技术总结
本发明公开了一种牛顿式激光发射机光轴校准装置，采用牛顿式望远镜光学结构，并将观察光路和激光成像光路合一，包括镜筒、目标分划板、大视场摄像头、小视场摄像头、显示屏和控制盒，其中：镜筒内设置主镜和次镜，目标分划板位于主镜焦点F处，其上印制目标图形，该目标图形通过主镜后能产生一个无穷远的目标，供操作者观看瞄准；大视场摄像头、小视场摄像头位于主镜焦点F前方的镜筒两侧，用于直接观察目标分划板和成像在上面的激光光斑；控制盒与大视场摄像头、小视场摄像头和显示屏连接，用于向摄像头供电并接入视频图像信号，同时将接入的视频图像信号送入显示屏进行显示。本发明提高了激光发射机的校准精度。了激光发射机的校准精度。了激光发射机的校准精度。


技术研发人员：储晔 袁野 谢宇宙 赵志立 吕战强
受保护的技术使用者：中国人民解放军总参谋部第六十研究所
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/4