1、火炮周视瞄准镜的初步设计目录一、周视瞄准镜综述3 二、光学系统的设计要求3三、拟定光学系统的工作原理3 3.1、光学系统的基本形式3 3.2、潜望高的形成4 3.3、倒像和俯仰、周视的实现4四、光学系统的外形尺寸计算 54.1目镜和物镜的结构型式，焦距 54.2道威棱镜尺寸并检验渐晕系数6（1）利用等效空气层求渐晕系数7（2）光路追迹法求渐晕系数84.3顶部直角棱镜和保护玻璃的尺寸84.4物镜口径计算94.5底部直角棱镜和分划板尺寸104.6验证出瞳距离114.7目镜口径计算12各光学零件主要尺寸总结 13五、光学系统原理图 14六、参考文献 15 火炮周视瞄准镜的初步设计一、 周视瞄准镜综述
2、周视瞄准镜是一种比较特殊的潜望式瞄准镜，观察者可以通过它来观察周围环境，而不用直视被观察的物体。在该种周视瞄准镜的前面有一个道威棱镜，转动道威棱镜和顶部棱镜时，保持目镜不动，射击手可以在不改变自己位置的前提下选择不同方位的瞄准点，从而避免了射击手为观察不同方位而不停转动头部引起的头晕恶心。同时，顶部棱镜能绕垂直于主截面的水平轴转动，实现俯仰观察。周视瞄准镜大量用于军事装备。在周视瞄准镜上再增加稳像系统可组成火控瞄准系统，用于炮弹的发射瞄准。火炮周视瞄准镜是配备最多种火炮的一种瞄准镜，广泛用于加农炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮。 按观察范围划分，周视瞄准镜可以分为水平半周视和水平全周视。其中，观察范
3、围小于360的为水平半周视，达到360的为水平全周视。由于周视瞄准镜采用开普勒式的望远镜，在物镜和目镜之间形成实像，因此可以通过安装分划板，将像与分划板上的刻线进行比较，更加方便地瞄准和测量，给军用带来极大的方便。另外在军用周视瞄准镜中，出瞳距离比较大，便于观察者佩戴防毒面具。为防止射击时撞击头部，有的瞄准镜出瞳距离达到七八十毫米，还要备用软硬适度的眼罩和护额以保证射击手的人身安全。二、光学系统的设计要求 视放大率： 物方视场角： 出瞳直径： 出瞳距离： 潜望高： 要求成正像光学系统要实现：俯仰瞄准范围 18 水平瞄准范围 360 俯仰和周视中观察位置不变渐晕系数： 三、拟定光学系统的工作原理
4、3.1、光学系统的基本形式：火炮周视瞄准镜用于对远距离目标进行观察和瞄准，因此它本质上是望远镜。望远镜的特点是可以扩大视角，扩大人眼对远距离目标观察的视觉能力；同时物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，可以将无限远目标成像在无限远，使在使用仪器观察时人眼不至于疲劳。望远镜有两种形式：开普勒望远镜和伽利略望远镜。 开普勒望远系统，视放大率，成倒立的像，通常要加入棱镜或透镜式倒像系统。在物镜和目镜之间有中间实像，可以安装分划板，使像和分划板上的刻线进行比较，便于瞄准和测量，特别适合军用。 伽利略望远系统，视放大率，成正立的像，不必加入倒像系统。但这种系统物镜的像方焦平面在目镜的后方，系统中无法安装分
5、划板，不适合军用，另外它的视放大率受物镜口径的限制，一般不大，只有23倍。 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，同时利用分划板便于瞄准和测量，因此它必然是一个开普勒望远镜，要使用正光焦度的物镜和目镜。3.2、潜望高的形成：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。这样既可以克服较大的光能损失，又便
6、于安装。因此，系统将采用两块直角棱镜。 3.3、倒像和俯仰、周视的实现：为了便于观察，系统应成正像，所以必须加入倒像系统。为了在水平面和垂直面改变光轴的方向，可以将顶部直角棱镜绕水平和垂直轴转动。当顶部棱镜绕经过点的垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面也将随之转动。如果要求像平面不转，就必须使像面产生一个相反方向的转动。这样就必须加入一个棱镜，利用它的转动来补偿像平面的转动，从而不使光轴的方向改变。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。同样根据棱镜转动定理，道威棱镜的转动角度应为顶部
7、直角棱镜转动角度的一半，且两者的转动方向相反。这样就可以补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变。目前倒像系统中的顶端直角棱镜和道威棱镜的反射次数之和为偶数。加上底端棱镜，系统成镜像，故可考虑选择其中一个棱镜为屋脊棱镜，这里选底端直角棱镜为屋脊棱镜。考虑到物镜和目镜之间的距离可能不是很大，所以把物镜放在道威棱镜和底端屋脊棱镜之间。四、光学系统的外形尺寸计算4.1目镜和物镜的结构型式，焦距物镜选择双胶物镜。双胶物镜是一种最常用最简单的望远物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。如图所示，这种透镜的优点是：结构简单，安装方便，光能损失较小，合适的选择玻璃可以校正球差、彗差、和轴向色差三种相差，满足望
8、远镜物镜要求。 图1 双胶物镜 图2 对称目镜目镜选择对称目镜。对称目镜是目前一种应用很广的中等视场目镜，它由两个双胶合透镜组成。如图所示，这种透镜的优点是：场曲较小，可以校正色差、慧差和象散，是中等视场目镜中像质较好的一种；出瞳距离比较大，有利于减小整个仪器的体积和重量；结构对称，加工方便，因此在军用观察和瞄准仪器中应用很广。其光学特性为：光学系统要求，根据公式，得入瞳直径为，由出瞳距离：，得，这里取,则 将系统中的棱镜展开并把展开后的玻璃平板用相当空气层代替，则系统成如下形式：1 2 3 4 5 6 7 图3 光学系统的倒像潜望高系统的棱镜展开图 4.2道威棱镜尺寸并检验渐晕系数因为在相同
9、的通光孔径下，道威棱镜体积最大。因此希望它的通光孔径尽量小。同时，它位于前面四个光学零件的中间位置，其他光学零件和它比较靠近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束口径加大较少。所以选择道威棱镜作为系统的孔径光阑。由于入瞳直径，所以可取道威棱镜得通光口径为：。道威棱镜采用玻璃，折射率。NLM D=15mmD E1图4 道威棱镜展开后光路图 图5 道威棱镜相当空气层光路图相当空气层厚度为对于不同的入射角，修正系数的值不同。当入射角时，；当时，；插值得当时，。得 求渐晕系数：（1）利用等效空气层求渐晕系数E2M D=15mm BN CE1图6 光线正入射和斜入射道威棱镜相当空气层时光路图由图6，当光
10、线以入射时，相当于平行光以的入射角入射，修正系数。在中， 在中，由正弦定理得 渐晕系数（2）光路追迹法求渐晕系数 A B C 图7 光线正入射和斜入射道威棱镜实际光路追迹光路图由图7，当光线斜入射时，有折射定理：同样在中，运用正弦定理得4.3顶部直角棱镜和保护玻璃的尺寸假设保护玻璃后端面顶部直角棱镜等效空气层前端面的距离为10mm,顶部直角棱镜等效空气层后端面与道威棱镜前端点的距离为50mm。顶部直角棱镜展开后相当空气层厚度顶部棱镜相当空气层前端面距转轴O的距离为，后端面距转轴O的距离为。 图8 光线正入射和斜入射无倾斜的保护玻璃和顶部直角棱镜光路图 图9 光线正入射和斜入射倾斜的保护玻璃和顶
11、部直角棱镜光路图由图8和图9可以观察到，当光线以，正入射，三种情况入射时，入射所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径最大。因此我们只需计算入射所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径。同时，可以看出，保护玻璃和顶部直角棱镜组成的系统在仰角为，无俯仰，俯角为三种情况下，由于道威棱镜展开后的相当空气层呈仰角，所以仰角为时，所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径最大。所以我们只需考虑光线以入射，同时保护玻璃和顶部直角棱镜组成的系统在仰角为时保护玻璃和顶部直角棱镜口径的大小。在中，由正弦定理得 4.4物镜口径计算假设道威棱镜相当空气层后端点与物镜的距离是，物镜距底部直角棱镜前端面的距离是。底部直角棱镜为直角屋脊棱镜，采用
12、玻璃，查表得其展开玻璃厚度为，因此其相当空气层厚度为 3 4 5 6 7 D/2 d3=20mm d4 E=1.142图10 光线斜入射道威棱镜、物镜、底部直角棱镜、分划板和目镜光路图物镜的口径： 相对孔径：4.5底部直角棱镜和分划板尺寸 1 2 3 4 5 6 7图11 潜望高计算光轴光路图 所以可以计算出= 4.6验证出瞳距离 3 4 5 6 7 D/2 d3=20mm d4=28.44mm E= 图12 光线斜入射道威棱镜、物镜、底部直角棱镜、分划板和目镜光路图根据高斯公式，其中计算出 同样根据高斯公式，其中 计算出 则出瞳距离，满足出瞳距离要求。4.7 目镜口径计算目镜的口径：相对孔径
13、各光学零件主要尺寸总结：1、保护玻璃：2、顶端直角棱镜： 3、道威棱镜通光口径： 渐晕系数：4、物镜口径： 相对孔径：5、底端直角棱镜：6、分划板：7、目镜口径： 相对孔径： 五、光学系统原理图 1 2 3 4 5 6 7图13 光学系统原理图1 保护玻璃 2 顶部直角棱镜 3 道威棱镜 4 双胶物镜5 底部直角屋脊棱镜 6 保护玻璃 7 对称目镜 六、参考文献【1】安连生、李林、李全臣，应用光学(第三版)，北京理工大学出版社，2008年【2】袁旭沧，应用光学，国防工业出版社【3】胡玉禧、安连生，应用光学，中国科学技术大学出版社，2002年【4】李世贤、李林，光学设计手册，北京理工大学出版社，1996年 14 / 14
