火炮周视瞄准镜设计

综述周视瞄准镜是周视望远镜的一种。周视瞄准镜的目镜位置不动而镜头能够绕垂直轴在水平方向一定的角度范围内进行观察。观察范围小于360°的为半周视，达到360°的为全周视。有周视性能的瞄准镜，可以扩大观察范围方便观察者不用改变自己的位置和方向，观察到四周的景物。常见的周视瞄准镜一般利用上直角棱镜绕垂直轴作转动时，道威棱镜绕其自身光轴按一定关系互相配合互相转动角，可实现水平周视。另外，上直角棱镜能绕水平轴俯仰，实现俯仰观察。但也有少部分采用立方棱镜绕垂直轴转动实现水平周视或者一些光学元件组合实现。火炮周视瞄准镜是配备最多种火炮的一种瞄准镜，它用于火炮的种类有加农炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮，是为观察和火炮标定方向以及火炮简介瞄准射击而用的，与高低角装定装置一起构成独立线式瞄准具。它固定在火炮的瞄准具支座上，瞄准镜的头部可以绕垂直轴相对固定的壳体转动。它赋予了炮手精确指示目标和超越打击的能力。光学系统技术要求1.光学特性:视放大率物方视场角出瞳直径4Dmm出出瞳距离2.潜望高H=185mm3.要求成正相4.光学系统要求实现俯仰瞄准范围±18°光学系统要求实现水平瞄准范围360°5.俯仰和周视中观察位置不变6.渐晕系数K=0.5.2103.7X'20zlmm工作原理周视瞄准镜作为望远镜的一种，采用的自然是望远系统。由于系统的视放大率较大，并且需要安装分划板，所以采用的只能是开普勒望远镜系统，即物镜与目镜均为正透镜的系统，如图1。在目镜与物镜之外，还要有标有刻画线的分划板，以满足军用需求。分划板放置于目镜与物镜之中。此外为了保护物镜还必须有保护玻璃。为了防止敌人通过反光等因素反侦察到我方，故保护玻璃采用楔形镜，使反射光线偏转射向地面。为了形成潜望高，可以采用两个平面镜或是直角棱镜。但反射镜需要镀反光膜，反射有10%的光能损失，并且直接与空气接触的反光膜长期使用将会变质脱落，在安装过程中也容易受到损伤。对比而言，棱镜在入射角小于临界角时将发生全反射，无需镀反射膜，并且基本没有光能损失，因而使用两个直角棱镜，是光线连续偏转90，形成潜望高。此时可暂定周视瞄准镜光学系统，如图2。由于采用开普勒望远镜系统，视放大率为负值，故正立的物体将形成倒立的像，将给观察与瞄准带来不便，因此需要加入一个倒像系统，使视放大率成为正值，方便观察与瞄准。这里不妨采用棱镜倒像系统。由上可得系统光线反射总次数必须为偶数次。图1物镜目镜另外为了满足水平周视和具有一定俯仰瞄准范围的要求，同时避免“像倾斜”与“光轴偏”这两种情况，必须加入一个棱镜，利用它的旋转来补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变。由棱镜转动定理可得，绕Z轴旋转时，对于上方直角棱镜有11(1)2ZZZ故直角棱镜绕Z轴旋转角度时，像空间也沿Z轴旋转2角度。若此时物空间也沿Z轴旋转度，则像空间不变。因此绕Z轴旋转度后，看到的是物空间绕Z轴旋转度的物体，符合要求。但是绕Y轴旋转时，由棱镜转动定理有11''(1)YYYY将会导致像倾斜，因此必须添加棱镜使得'Y能被抵消，只剩下Y。考虑到系统的简洁性与轻便性，不妨选择最为简单的道威棱镜，加在物镜与上方直角棱镜之间。此时，直角棱镜与道威棱镜沿Y1轴一同旋转角度时有213111(1)YYXY，为了使1X被抵消，之后只需将道威棱镜绕Y1轴旋转2角度。由棱镜转动公式算出此时像空间旋转角度为22xyzX1Y1Z1图2图3Y2Z2X2X3Z3Y31132111(1)2222XXXXX因此当直角棱镜绕Y轴旋转θ度，道威棱镜绕Y轴旋转θ/2度，看到的是绕Y轴旋转θ度的物空间中得物体，符合要求，故系统确定如图3所示。最后确定孔径光阑位置。孔径光阑可以选在保护玻璃、直角棱镜、道威棱镜和物镜上。通过查询，保护玻璃通光口径为D=2h，直角棱镜为22Da，道威棱镜为22210.2364221anaDan，物镜为D=2h，其中a为直角棱镜的斜边长或道威棱镜的下底边长，道威棱镜两腰夹角为90，n取1.5163。从而可以看出，在相同通光口径下，道威棱镜的体积将会更大，因此将孔径光阑取在道威棱镜上，以减小周视瞄准镜的体积。同时道威棱镜位于前面四个光学零件的中间位置，和其他光学零件较为靠近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的口径加大较少。光学系统外形尺寸计算1、确定目镜结构形式由tan3.7tanX目物，且210物，因而235.88目。再看到出瞳距离'20zlmm，因此必须选择一个出瞳距离大，视场角中等的目镜。凯涅尔目镜、对称式目镜、艾尔弗目镜都能满足要求。这里不妨选择对称式目镜。对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场的目镜，是由两个对称的双胶合透镜组构成，如图4。这种目镜能消除垂轴色差与轴向色差，同时也能较好的校正像散与彗差，场曲也比较小，相对出瞳距离较大可达到34，是一种较好的中等视场目镜。取相对出瞳距离''34zlf目，则目镜焦距'803fmm目，不妨取焦距为30mm。最终目镜参数如下：焦距'30fmm目，视场角235.88目，出瞳直径4Dmm出。2、确定物镜结构形式由公式''fDDf物出目入，从而入射光束直径14.8Dmm入，物镜焦距'111fmm物。由于物镜视场角需求较大，为2=10物，故选择双胶合物镜。双胶合物镜是由一个正透镜和一个负透镜胶合而成，如图5所示。它能够同时校正轴向边缘球差、轴向色差和边缘孔径的正弦差，是一种最为常用的望远物镜。它在焦距为50mm时适用的最大相对孔径'13Df，焦距为150mm时适用的最大相对孔径'14Df，经过线性插值可得焦距为111mm时，适用的最大相对孔径'415Df，而215Df入‘物，满足要求。由于入瞳位置在像空间的共轭像为出瞳位置，因此，从出瞳位置连续应用物像位置公式有最终，物镜参数为：焦距'111fmm物，通光口径14.8Dmm入，视场角2=10物。3、确定道威棱镜尺寸和渐晕系数由于孔径光阑定在道威棱镜上，故道威棱镜通光口径14.8Dmm入，但考虑到棱镜加工等诸多因素，取道威棱镜通光口径15Dmm入。查表有道威棱镜计算公式22210.2364221anaDan可得63.45amm，15hmm，其中a为道威棱镜下底边长，h为道威棱镜高度。道威棱镜相对空气层厚度为0.823.672aEmmn。其中0.8为光由45°入射时的修正系数。当光线以边缘视场角即5斜向下入射时，按等效空气层来计算，如图6，图5图4先求小段长度x有(2)tan51.616xEDmm入从而斜入射光束口径为13.38DDxmm入斜渐晕系数为13.38100%100%89.22%15DKD斜入当入射光束为斜向上入射时，由图7可得此时小段长度x为(2)tan54.24xEDmm入从而斜入射光束口径为10.76DDxmm入斜此时渐晕系数为100%71.7%DKD斜入另外，还可以用沿实际光路用光路追迹的方法计算。可以发现斜向上入射时，部分光线未经反射便从道威棱镜另一面出射，如图7所示。故斜光束入射口径计算如下：由折射定理和道威棱镜底脚为45°可得到光线在地面的反射角为69.1°，故119.9。设左下角的小三角型的高为h，从而有tan19.9tan19.9DhhDa入入1.95hmm因此斜光束入射口径为图6()tan514.19DDhDhmm入入斜渐晕系数为100%94.6%DKD斜入当斜光束向上入射时，如图8所示，则依据折射定理和道威棱镜底角为45°，可求出230.34。设下方大三角形的高为h，则有tan2hha13.16hmm所以斜光束入射口径为tan512.01Dhhmm斜渐晕系数为100%80.1%DKD斜入由上可看出，无论如何计算，渐晕系数都大于0.5，故满足要求。此外，由于斜向下入射光线口径较大，故以后都以斜向下光束为准进行讨论。4、确定端部棱镜与保护玻璃尺寸不妨取端部直角棱镜斜边中点到道威棱镜中点距离50lmm直道，则为使边缘光线仍然能进入道威棱镜，如图9有图8图72(50)tan52EDD上直斜其中DEn直，n取1.5163，所以有(100tan5)20.70tan51DDmmn斜上直再考虑到俯仰角为18°，如图10有''2(50()sin9))tan5222cos9DExxD上直直其中x由正弦定理可得0.5sin76sin95Dx斜5.524xmm所以'21.87Dmm上直取保护玻璃前面到端部直角棱镜前面距离为10mm，则保护玻璃通光口径为'210tan523.89DDmm保上直再考虑周视的问题，如图11则在弧矢面直角棱镜通光孔径为'(10)tan51521.212Dlmm上直直道图9可以看出，在保护玻璃在子午面和弧矢面上的半径相差不大，故保护玻璃只需做成圆形即可。5、计算物镜口径由于渐晕系数0.5K，小于道威棱镜的渐晕系数，故物镜也将起到限制光束的作用。物镜口径为15Dmm物时，轴向光束能全部通过。此时为使渐晕系数为0.5，如图11计算边缘光束则得到物镜到道威棱镜中心的距离为7.585.732tan(5)tan(5)Dlmm物物图10图116、计算底部直角棱镜尺寸和分划板大小不妨取底部直角棱镜直角边到物镜距离'40lmm物，则有直角棱镜通光孔径为240tan521.99DDmm下直物从而底部直角棱镜的斜边长a为231.11aDmm下直由于分划板需要标注刻度，故必须安装在物镜与目镜之间实像位置上，即分划板到物镜的距离为30mm。由无限远物体理想像高公式可得分划板通光直径为''22tan19.42Dyfmm分物物7、确定目镜口径由理想光学系统的光路计算公式可得到目镜的入射角'u为''tantan2Duf物物物'1.14u从而目镜口径D物为''''2()tan9.352tanDDffummu物目物物8、验证出瞳距离与潜望高由图12可得潜望高H为'21.990.585.734050186.732HlllDmm物物直道下直大致符合潜望高要求。图11由于入瞳在像空间的共轭像为出瞳，故对出瞳通过物镜与目镜的两次成像即可得到出瞳位置。计算如下第一次成像：'1'1'185.73111376.5711185.73lflmmlf物物第一面所成像至目镜的距离：'21517.57llffmm目物第二次成像：''22'2517.573031.8430517.57lflmmlf目目故出瞳距离'31.84zlmm，满足要求。图12光学系统原理图参考文献1、《应用光学》北京理工大学李林2、《光学设计手册》北京理工大学李士贤、郑乐年3、《光学设计教程》北京理工大学黄一帆、李林