1、火炮周視瞄準鏡初步設計學校：北京理工大學 學院：光電學院 班級：04111302 學號：1120130952 姓名：吳壽龍 指導老師：黃一帆 李林 日期：2015年9月火炮視瞄準鏡初步設計一 光學系統的技術要求光學特性： 視放大率: =3.7×物方視場角： 2=10°出瞳直徑： D=4mm出瞳距離： 距潛望高： H=185mm要求成正像光學系統要求實現：俯仰瞄準范圍±18º 水平瞄準范圍360º俯仰和周視中觀察位置不變漸暈系數: K0.5 二 設計系統的結構原理圖1 光路系統選擇：光路系統選用開普勒望遠系統。2 光學元件選擇：由于選擇具有瞄準功

2、能的開普勒望遠系統，所以當前能確定的光學元件有：目鏡、分劃板、物鏡；為保護系統，在系統最前端添加保護玻璃；又因為系統要求有一定高度的潛望高，下面將對棱鏡的選擇，做出具體的分析。（1） 光路系統選擇分析： 火炮周視瞄準鏡的用途是偵察遠處敵情，將遠距離目標放大，瞄準目標，為火炮精確打擊提供方位信息，為實現這用途，首先要選用望遠系統。而現在最常用的望遠系統有開普勒望遠系統和伽利略望遠系統，其系統結構原理圖如下： 開普勒望遠系統 伽利略望遠系統 圖（1）根據兩系統結構原理圖，對于開普勒望遠系統物鏡和目鏡有重合的焦平面，把分劃板安放在這里可以實現瞄準功能，而伽利略望遠系統沒有這樣的焦平面，綜合實際情況，

3、選用開普勒望遠系統。（2） 棱鏡系統選擇：根據系統設計要求，系統要有一定的潛望高，為實現潛望高，可通過兩次改變光軸90°實現，改變光軸的途徑是讓光發生反射，具有反射功能的光學元件有平面鏡和棱鏡，從儀器設計來分析，平面鏡不易安裝和固定，鍍膜的反射鏡每經過一次反射，光能損耗10%左右，并且反光膜容易脫落，故平面反射鏡不符合設計的穩定性要求，與平面反射鏡相比，棱鏡的反射率高，容易安裝和固定，為使光軸改變90°，因此選用直角棱鏡與直角屋脊棱鏡（4）將會給出具體分析）。（3） 俯仰周視的光學元件選擇：根據棱鏡轉動定理，經過的棱鏡1反射次數為奇數，所成的像為鏡像，為克服這點，應在系統潛

4、望高段增加奇數次反射，從系統輕便性角度考慮，并且道威棱鏡可以作為名義上的孔徑光闌，所以選用道威棱鏡。根據棱鏡轉動定理,假設棱鏡1和2一起轉動,物空間坐標跟著轉,物相對于棱鏡主截面不動,像面將和棱鏡同時轉動。當棱鏡單獨轉動時,假設棱鏡轉動角速度為，像平面轉動的角角速度的等于2。設棱鏡1和2同轉的角速度為,棱鏡2再轉-/2的角速度，可補償像的旋轉。 圖（2）（4） 底部棱鏡的選擇：根據（3），頂部直角棱鏡和道威棱鏡的總反射次數為偶數，但光路要求經過底部棱鏡，如果底部棱鏡也只是直角棱鏡，那么通過光路的總放射次數為奇數，系統所成的像將不會是正像和物像相似的像，而選用屋脊棱鏡能使通過系統的像與物物像相似

5、，因此，底部棱鏡選用屋脊棱鏡，。（5） 保護玻璃和分化板的位置確定：保護玻璃安置在頂部棱鏡前10mm處；將保護玻璃傾斜45°安裝，從力學角度分析可以緩沖外力對系統的沖擊力，因此保護玻璃傾斜45°安裝，為滿足這一安裝要求，保護玻璃的外形呈橢圓形。分劃板安置在物方焦平面上。（6） 系統總體結構：綜合上述，棱鏡從上到下，從左到右依次為：保護玻璃、頂部直角棱鏡、道威棱鏡、物鏡、底部棱鏡、分劃板、目鏡。系統結構圖如圖（3）所示： 圖（3）根據棱鏡轉動軸定理檢驗物通過系統所成的像為正像，并且物像相似。三 光學系統的外形尺寸計算：擬定了系統的結構原理圖,下面計算每個透鏡組焦距、各個光學零

6、件的通光口徑和相互間隔。1確定目鏡的型式和焦距：由系統設計的要求物方視場角 2=10°、視放大率=3.7×，根據角放大率的公式,可以得到目鏡的視場為: tan=tan=3.7*tan5°=0.3237推出=17.9368° 2=35.8735°。如圖（4）所示： 圖（4） 系統要求的出瞳距離為,應選用雙膠對稱目鏡，其結構對稱，相對出瞳距離大，可滿足本系統的要求,故采用該種型式的目鏡。根據對稱目鏡的光學特性有：，得，。系統長度要求比較大,目鏡焦距可以適當取大一點。另外出瞳距離大一些對儀器的使用只有好處,所以取目鏡的焦距=30mm。2求物鏡的焦距：

7、取倒像系統的放大率等于-1,物鏡和目鏡對應的放大率就應和整個系統的放大率大小相等,符號相反,為負值。根據公式得到，將=3.7×代入得 =3.7*30=107.3=111mm3求入瞳直徑入射光束口徑：根據軸放大率公式D=D ，把，代入得：入瞳直徑，物鏡的相對孔徑為D/=14.8/111=1/7.5。4道威棱鏡尺寸：在相同的通光口徑條件下，道威棱鏡的體積最大，因此道威棱鏡可作為系統的名義孔徑光闌。取道威棱鏡的通光口徑為入瞳直徑D =14.8mm,道威棱鏡的制作材料是K9玻璃，故有=44.2660 mm，其中a為道威棱鏡沿光軸方向展開后的斜高度,據圖（5）道威棱鏡底部寬度為L=2a=62.

8、6016。其相當空氣層為e=k*a/n=0.8D/n=0.8*44.2660/1.5163=23.3547mm 圖（5） 圖（6）5計算漸暈系數：如圖（7）所示： 圖（7）根據道威棱鏡的展開空氣層追擊光線，由于道威棱鏡相對空氣層對通過的光束具有限制作用，根據設計要求，=5°，設通道威棱鏡最下端=5°入射的最窄光束為D,與光軸平行的入射光束的寬度和孔徑光闌的口徑相等，同為14.8mm。根據圖有:D1=D+2e=14.8+2*23.347=47.8176mm D=D-D1tan5°=14.8+47.8176tan5°=10.6165mm 漸暈系數K= D/D

9、=10.6165/14.8=0.7173mm分別追擊道威棱鏡最上方和最下方的光束，可求出斜入射時的漸暈系數，由于光必須在道威棱鏡底部發生一次反射，其光路圖如圖（8）所示： 圖（8）由于道威棱鏡的制作材料是K9玻璃，其折射率n=1.5163，根據光的反射定律有：n=sin50°/sin i=1.5163 推出i=30.345°由幾何條件有：（a-atan i）/sin95°= D /sin40°推出D=11.842mm根據公式推出D=0.334a=14.785mm 于是K=D/D=11.842/14.785=0.8001當光束通過道威棱鏡上方時，其光路圖如

10、圖（9）所示： 圖（9） 由折射定律：n=sin40°/sini=1.5163,推出i=25.08°由幾何條件：2D/sin19.92°=(2a-x)/sin115.08。又有：（Dsin105°/sin50°）/ 2D=（2a-x）/2a D=0.334a=14.785mm推出D=14.0472mmK”=D/D=14.0472/14.785=0.9501綜合上述，K、K'、K”都大于系統設計要求K=0.5，滿足設計要求。6端部直角棱鏡計算：根據系統設計要求俯仰角瞄準范圍為±18º，故端部直角棱鏡的俯仰角度為

11、7;9º，當光束以±5º的水平角入射時分情況進行討論。（1）端部直角棱鏡與水平方向的夾角為+9°，光束與水平方向夾角為+5°。光路結構圖如圖（10）所示 圖（10） 設端部棱鏡展開后的相當空氣層為e端，口徑為D端，端部直角棱鏡到孔徑光闌的距離為d1=60m 這時孔徑光闌處的孔徑大小EF=D/2=7.4/2=3.7mm據圖，由幾何關系有：<HCI=81° CH=HI/sin81°=EF/sin81°=3.7461mm FH=EI=d1-HItan9°=79.4140mm 由正弦定理:FH/sin<

12、;HBF=BF/sin<BFH 推出 BH=FHsin5°/sin94°=6.9383mmBC=BH+CH=10.6844mm AD=BC+e端tan9° D端=AD+BC=2BC+ e端tan9°由于端部棱鏡的制作材料是K9玻璃，故折射率n=1.5163 e端= D端/n 推出 D端=23.8612mm(2) 端部直角棱鏡與水平方向的夾角為+9°，光束與水平方向夾角為-5°。光路結構圖如圖（11）所示： 圖（11）根據圖（11）： HI=EF=3.7mm ID=HItan9°=0.5860mm DH=HI/sin81

13、°=3.7461mm CD= e端*sin81° CG= e端*sin9° FH=EI=ID+DC+d1對 AH/sin5°=FH/sin76° D端=2(AH+DH)+CG推出 D端=28.3254mm(3)端部直角棱鏡與水平方向的夾角為0°，光束與水平方向夾角為+5°。其光路結構圖如圖（12）所示： 圖（12）據圖有： （D端/2-3.7）/（e端+80）=tan5°推出 D端=24.1896mm（4)端部直角棱鏡與水平方向的夾角為+9°，光束與水平方向夾角為0°。如圖（13）所示： 圖（1

14、3） 據圖：入射光束與水平方向平行，故有孔徑光闌處的孔徑EF=7.4mm,據幾何條件有：D端=2*7.4/sin81°+e端tan9°推出: D端=16.322mm (5)端部直角棱鏡與水平方向的夾角為0°，光束與水平方向夾角為0°如圖（14）所示： 圖（14）此時： D端=14.8mm 綜合上述情況：D端 取28.3254mm7保護玻璃的尺寸計算：根據前面設計，保護玻璃與端部棱鏡的距離為10mm,根據圖（15），于是可求出保護玻璃短軸軸長D=（28.3254/1.5163+60+18.3769+10）*2tan5°+14.8=33.5326m

15、m由于傾斜角為45°，于是長軸軸長D =2D=47.4222mm 圖（15）8 確定物鏡口徑和道威棱鏡與物鏡的距離：由于系統要求的漸暈系數為K=0.5,經過前面驗算，道威棱鏡的漸暈系數大于系統要求的0.5， 如圖（16）所示：當通過道威棱棱鏡最下方或最上方的光束寬度等于通過道威棱鏡中心光束的一半時，漸暈系數為0.5，這樣即可確定物鏡口徑的大小。 圖（16）即由幾何條件有：d=D+2e=14.8+2*23.3547=47.825mm tan5°=（D物/2）/（d+L2） 推出：L2=18.3769mm 9目鏡口徑確定：根據設計要求，物方視場角：2=10°，在極限條

16、件，即光束正好±5°入射時，這種情況下，光束恰好從物鏡的上下部分透射過，如圖（17）所示： 圖（17）光束通過物鏡中心，不改變光的方向，要確保±5°范圍內其他光束通過目鏡，只要確保這兩束光通過目鏡即可。故有:D目=2（+）tan5°=2*141tan5°=24.6718mm. 10確定底部直角屋脊棱鏡：底部直角屋脊棱鏡的制作材料是K9玻璃，根據查表得：k=1.732,故其相當空氣層e =1.732D/1.5163 。設底部直角屋脊棱鏡的口徑為D底，其相當空氣層厚度為Ea底,物鏡到底部直角屋脊棱鏡的距離為L3。如圖（18）所示： 圖（1

17、8）于是有：H=D端/2+L1+L+L2+L3+D底/2 L1=d1-(D+2e)/2=56.6231mm如圖（19）所示： 圖（19）據圖有： （L3+Ea底）tan5°=（D底-D物）/2又因為屋脊棱鏡的制造材料是K9玻璃，于是有： Ea底=1.732 D底/1.5163=1.1423 D底 聯立方程推出D底=23.2260mm L3=21.6227mm 11確定分劃板的參數：(1) 確定口徑：D=2*111*tan5°=19.4225mm(2) 確定瞄準刻度：根據公式 圖（20）如圖所示：設物高為y=2m，距離為:當=50m, =-111*(-2/50)=4.44mm

18、當=100m,=-111 *(-2/100)=2.22mm當=200m ,=-111*(-2/200)=1.11mm當=500m,=-111*(-2/500)=0.444mm當=1000m,=-111*(-2/1000)=0.222mm12出瞳距離驗算: 光學系統的孔徑光闌在光學系統像空間所成的像稱為系統的出瞳。要想找出出瞳距離，就要追蹤通過名義孔徑光闌中心的光線，其追蹤圖如圖（21）所示： 圖（21）根據圖（21）=-D物/（4tan5°）=-14.8/（4tan5°）=-42.2912由高斯公式： 推出 得： 故有 又：推出 由于35.0190mm>20mm,故設計符合要求13 驗證潛