火炮周视瞄准镜初步设计1

应用光学课程设计1火炮周视瞄准镜初步设计应用光学课程设计2目录火炮周视瞄准镜初步设计：一、概述…………………………………………………………………………4二、光学系统的技术要求………………………………………………………4三、系统设计计算内容…………………………………………………………51、周视瞄准镜综述…………………………………………………………52、拟定光学系统的工作原理………………………………………………5（1）光学系统基本形式…………………………………………………5（2）光学系统基本结构…………………………………………………5（3）系统要求……………………………………………………………5（4）棱镜的选择。………………………………………………………5四、光学系统的外形尺寸计算…………………………………………………91、目镜的设计………………………………………………………………92、物镜的设计………………………………………………………………103、分化板的尺寸设计………………………………………………………114、系统中各个光学零件的外形尺寸设计…………………………………11（1）棱镜通光口径的确定………………………………………………11（2）道威棱镜外形尺寸的计算…………………………………………13（3）物镜通光口径的计算………………………………………………14（4）道威棱镜渐晕系数的验证…………………………………………14（5）屋脊棱镜尺寸的计算………………………………………………15（6）保护玻璃尺寸的计算………………………………………………16应用光学课程设计3（7）顶端直角棱镜尺寸的计算…………………………………………16（8）目镜通光口径的计算………………………………………………175、验证系统参数……………………………………………………………17（1）验证出瞳距离………………………………………………………17（2）验证潜望高………………………………………………………18五、光学系统的主要参数………………………………………………………18六、整个系统的设计原理图……………………………………………………18附录1棱镜转动定理………………………………………………………19一、目的……………………………………………………………19二、棱镜转动定理…………………………………………………19三、定理证明………………………………………………………20四、几种特殊的情况………………………………………………21附录2目镜…………………………………………………………………25附录3物镜…………………………………………………………………29应用光学课程设计4一、概述周视瞄准镜是一种能够进行环形观察、瞄准和标定的潜望式瞄准镜。在军事上的使用较为广泛，多使用于地炮和火箭炮。主要用来进行间接瞄准射击，也能用于直接瞄准射击。使用时，安装于机械瞄准具的瞄准镜座的镜筒上。周视瞄准镜可以通过转动系统中的道威棱镜，并同时保持目镜不动，来实现使射手不改变位置就能选择不同方位的瞄准点。周视瞄准镜还可以扩大观察范围，观察到瞄准手后方的景物。这种功能的实现依赖于系统中的直角棱镜。当该棱镜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°的称为全周视）时，射手就可以看到各个方位的目标。周视瞄准镜还有确定方位角和高低角的装置，故可进行间接瞄准射击，当目标不能直接看见或者看不清楚时，可用周视瞄准镜选择其它方位作为辅助瞄准点，根据目标的距离和相对于辅助瞄准点的方位，选定适当的方位角和高低角，即可观察目标。二、光学系统的技术要求光学特性的主要参数:1、视放大率Γ=3.7×物方视场角2w=10°出瞳直径D'=4mm出瞳距离l’z≥20mm2、潜望高H=185mm3、要求成正像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°应用光学课程设计55、俯仰和周视中观察位置不变6、渐晕系数K=0.5.我们现在所要设计的仪器是一个远射程炮塔上使用的一个瞄准仪器，由于火炮射程较大，且为了获得较好的观察精度，我们对其视放大率要求比较高，为3.7倍；为了能在夜间观察时，仍能获得较好的视场，我们取4mm的出瞳直径；为了能使瞄准者不被对方发现，我们取潜望高为185mm，这是由炮塔的结构所决定的；为了保证该装置在军事领域的使用，出瞳距离至少应为20mm，保证瞄准手在佩戴防毒面具等装置后仍能使用该装置；考虑到仪器的制作和使用的需求，我们将水平瞄准范围和俯仰瞄准范围分别设为360°和±18°；其它的光学特性参数，均是综合考虑人的习惯和实际使用需求得到的。三、系统设计计算内容1、周视瞄准镜综述关于周视瞄准镜中各光学原件的介绍见附录部分。2、根据要求拟定光学系统的工作原理（1）光学系统基本形式：望远系统由于系统用于对远距离目标进行观察，具有较大的视角放大率，因此它必然是一个开卜勒望远镜，要使用正光焦度的物镜和目镜。（2）光学系统基本结构：物镜、目镜、分划板、保护玻璃。保护玻璃可以对系统起到密封的作用，分化板上刻线后可以进行测量和读数。物镜和目镜的选择需保证像差小，分辨率高。（3）系统要形成一定的潜望高和俯仰和周视范围。（4）棱镜的选择。1）选用直角而不选用平面镜的理由应用光学课程设计6由于系统要求有一定的潜望高度，所以可以采用两个使光轴改变90°的棱镜或平面镜，但平面镜的安装，固定十分困难，而且所镀的反光膜易变质，脱落，还会在反射时造成百分之十左右的光能损失，所以用平面镜进行反射并不理想，而棱镜则可以克服这些缺点，所以采用两个使光轴改变90°的棱镜形成潜望高。考虑到系统的简单易携性，两个棱镜都选用直角棱镜。2）直角棱镜位置选择的依据以及转向分析为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，如左图，可在光轴上端O1点的位置安置一个直角棱镜，使之绕水平和垂直轴转动。当棱镜绕经过O1点垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕O1O2轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面亦将随之转动。我们要求像平面不转，必须使像面产生相反方向的转动。由于要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90°的棱镜显然不能转动。这样就必须加入一个棱镜，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。3）屋脊棱镜的引入依据根据前面的规则，在光轴同向的情形，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。因此必须在系统中加入下列性能的棱镜：0°-1;0°-3;0°-5下图为可能的棱镜组合：应用光学课程设计7顶端的直角棱镜与转像棱镜的反射次数之和为偶数。系统要求物和像反向，并且整个系统的入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜在同一主截面内的反射次数应为奇数。故可采用一个90°-1的直角棱镜，但成“镜像”。为了使物和像相似，必须把上下两个棱镜中的一个反射面改为屋脊面(屋脊面不能加在转像棱镜上，因为这样会使转像棱镜的反射次数变为偶数，则棱镜转动时，像不转)。例如，将下端的直角棱镜用直角屋脊棱镜90°∧2代替。4）道威棱镜的选取、系统棱镜的转向同时根据棱镜转动定理，加入的棱镜反射次数应该为奇数，再考虑系统的轻便性，选择了道威棱镜。道威棱镜的入射面和光轴不垂直，必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间。由于道威棱镜需工作在平行光路中，所以在道威棱镜前不能放物镜。故道威棱镜应放在物镜的前面。当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜截面不动，像面将和棱镜同时转动。当棱镜2单独转动时，像平面的转角等于棱镜转角的二倍。因此，棱镜1和2同时转动α，然后把棱镜2按相反方向转α/2，即可补偿像的旋转。换句话说，棱镜2的转角应为棱镜1的转角的一半。应用光学课程设计8（5）共轴系统和棱镜系统的组合为了便于观察和瞄准，要求系统应成正像，可以考虑加入倒像系统。由于系统要求有一定的潜望高度，所以可以考虑必须加入透镜式倒像系统，为了减小光学零件的口径也可以考虑加入场镜。因此共轴系统中可以包括包括物镜，目镜，一对倒像透镜，场镜。但是限于设计的简便性，本装置中我们不考虑。整个系统的结构如左图所示：(6)孔径光阑位置、物镜位置的选定如前述所，共轴系统和棱镜系统的组合，由于端部直角棱镜要俯仰，所以它必须在共轴系统物镜前面的平行光束中，另外道威棱镜的入射面和光轴不垂直，也必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间，由于要求入射光束的仰角为+18°，俯角为-18°，对应的端部棱镜仰角为+9°，俯角为-9°，棱镜的俯仰范围不是很大，所以它的尺寸与道威棱镜相差不大，由于道威棱镜在相同的通光口径下尺寸比其它光学零件大得多，因此我们把孔径光阑选在道威棱镜上，另外，要尽可能的减小两个棱镜的通光口径，最好使斜光束的主光纤通过棱镜中心，也通过道威棱镜中心，由于道威棱镜需工作在平行光路中，所以在道威棱镜前不能放物镜，如果两个棱镜都在物镜的前面，主光线当然不能同时通过这两个棱镜的中心，并考虑到物镜和目镜的焦距，和分化版的位置，整个光学系统，物镜位在底端屋脊棱镜与道威棱镜之间是最合适的。应用光学课程设计9四、光学系统的外形尺寸计算1、目镜的设计（1）目镜的光学特性包括：1）相对孔径小，一般小于1：5；2）视场角大，这是其显著特点，通常的目镜都在40°左右，广角目镜在60°左右，特广角目镜甚至超过100°3）焦距较短，一般在15-30㎜左右4）入瞳和出瞳远离透镜组，这就意味着轴外光束在透镜组上的投射高很大，目镜尺寸会增加。（2）目镜的结构型式，及有关特性参数1）目镜的视场为tgω'=Γ×tgω根据系统光学特性的要求。将Γ=3.7×，物方视场角2ω=10°，代入上式，得目镜的视场角为tgω'==Γ×tgω=3.7×tg5°=0.324ω'=17.94°2ω'=35.88°因为出瞳距离l’z要不小于20mm，所以应该选一个长出瞳距离的目镜，同时考虑到是瞄准仪器，所以选用对称目镜较为合适。对称目镜结构简单，加工方便，相对出瞳距离较大，在军用仪器中广泛使用。对称目镜由两个双胶合透镜构成，光学特性为：目镜视场角为2ω'=65°—72°相对出瞳距离为目’’fzl≈3/4应用光学课程设计10由相对出瞳距离和系统所要求的出瞳距离l’z，即可求的其大致的焦距l’z≥20mm，l’z=目’’fzl×f’目≥20mm所以f’目≥27mm。由对称目镜的光学特性可知这种形式的目镜符合我们的设计要求。由于系统长度要求比较大，目镜焦距可以适当取大一些，同时在进行目镜的像差设计时，较小的相对出瞳距离有利于校正像差，从而能够获得较好的成像质量，另外出瞳距离大一些对仪器的使用只有好处并无害处，所以我们取目镜的焦距f’目=35mm2、物镜的设计（1）物镜的光学特性：1）相对孔径小，一般小于1：5；2）视场较小，通常望远镜的视场都不大于10°.（2）物镜的结构型式，及有关特性参数我们取倒像系统的放大率等于-1，物镜和目镜对应的放大率就应和整个系统的放大率大小相等，符号相反，为负值。据公式Γ=-目物''ff将Γ=-3.7，f’目=35mm代入公式得：f’物=129.5mm（3）入瞳直径（入射光束口径）和相对孔径据公式应用光学课程设计11Γ='DD其中D’=4mm，Γ=3.7得入瞳直径为：D=3.7×4=14.8mm物镜相对口径：物'fD=5.1298.14=0.114根据物镜焦距和相对孔径的要求，可以采用双胶合透镜组作为系统的物镜，系统的视场为2ω=10°，双胶合物镜的允许视场为8°-10°，也能满足要求。3、分化板的尺寸设计周视望远镜需要在分化板上安装瞄准线来进行观察。测量和瞄准。下图为分化板外形尺寸计算图：利用无限远物体理想像高的计算公式得分化板的直径D=2y’=-2f’物×tgω=22.66mm.4、系统中各个光学零件的外形尺寸设计首先，我们来讨论一下，倒像系统中各个光学零件的通光口径。在前面我们已经要求斜光束的主光线同时通过端部棱镜和