火炮瞄准(火炮周视瞄准镜)

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火炮周视瞄准镜光学设计火炮周视瞄准镜初步设计一 光学系统的技术要求1.光学特性:视放大率Γ=3.7×物方视场角2w=10°出瞳直径D'=4mm出瞳距离lｚ'≥20mm2.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.O1 O2二 设计原理1．由于系统用于对远距离目标进行观察，具有的视角放大率， 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。为 了便于观察，系统应成正像，所以必须加入倒像系统。 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，第 1 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计脱落，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。为了在水平面和垂直面改变光轴的方向，可以在 光轴上端 O1 点的直角棱镜绕水平和垂直轴转动。

当棱 镜绕经过 O1 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 O1O2 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，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为 O1 处的直角棱 镜转动角度的一半，且两者的转动方向 相反。目前的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。 加上底端棱镜火炮瞄准，系统成镜像，故可考虑 选择其中一个棱镜为屋脊棱镜，这里选第 2 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计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。注：棱镜转动定理： 当棱镜位在平行光路中时,只需要考虑像的方向;如果在非平行光路中工作,则既要考虑P?像的方向,也要考虑像的 位置.如图,假设 P 为表示P棱镜转动方向和位置的单 位向量,P’为 P 在像空间的 共轭像,它也是一个单位 向量.θ 为棱镜的转角,它 的符号规则是,当对着转 轴观察时,逆时针为正,顺 时针为负.n 为棱镜的总反射次数. (2)棱镜转动定理可表示如下:假设物空间不动,棱镜绕 P 转 θ,则 像空间首先绕 P’转(-1) n-1θ,然后绕 P 转 θ.可以表示为: [A’]=[(-1) n-1θP’]+[θP] [θP]只是一个表示有限转动的符号,而不是一个向量.[A’]是作为像空 间转动状态的一个符号,没有特别的含义. 根据符号的定义，以下两种关系显然成立： [θ1P]+[θ2P]=[（θ1+θ2）P] [θ（-P）]=[-θP]第 3 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计三 系统外型尺寸的计算1 选择物镜，目镜的结构型式，计算相关参数 D/f’，f’： 物方视场角 2ω=10° ∵tgω'=τ×tgω=3.7×tg5°=0.324 ∴ω'=17.94° ∴2ω'=35.52° 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。

因为对称目镜 l’z/f’目≈3/4，而且 l’z≥20mm，所以 f’目＞27m m。考虑到长出瞳距离对观察并无影响，所以取 f’目=30mm。 ∵τ= f’物/ f’目 ∴f’物=3.7×30=111mm 因为出瞳直径 D’=4mm火炮瞄准，根据 τ=D/D’， 所以入瞳直径为：D=3. 7×4=14.8mm。所以物镜相对口径 D/f’物=14.8/111=0.13。 根据物镜焦距和相对口径选用双胶物镜较合适，而且物方视场角 2w =10°也满足双胶物镜的视场要求。 2 道威棱镜的尺寸： 因为道威棱镜的体积在系统中最大，考虑到系统的总体积，重量不可 过大，所以选择道威棱镜作为系统的孔径光阑。取道威棱镜的通光口 径为 D=15mm。道威棱镜采用 K9 玻璃，所以 a=D/0.334=44.91mm。 其中 a 为道威棱镜展开成玻璃板后，沿光轴方向的斜高度。其相对空 气层厚度为 Ea=44.91×0.8/1.5163=23.69mm。 ∴d2=44.91×1.414=63. 52第 4 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计３ 计算道威棱镜渐晕系数：∵l1=Ea×1.414=23.69×1.414=33.5mm l2=15mm∴l1+l2=33.5+15=48.5mm ∴DW=D-(l1+l2) ×tg5°=15-48.5×tg5°=10.76mm ∴渐晕系数为 KD=DW/D=10.76/15=71.7％第 5 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计４ 计算顶端棱镜尺寸： 取道威棱镜和顶端棱镜的距离为 L50mm，同时顶端棱镜为 K9 玻璃 制成。

所以顶端棱镜的相当空气层厚度为： E=D/1.5163=0.66D 由图可得到关系式： (D-15)/2=(0.66D+50) ×tg5° 从而可以得到顶端棱镜尺寸为 D=26.85mm.。５ 保护玻璃尺寸： 取保护玻璃和顶端棱镜的距离为 10mm。 保护玻璃口径为： D’=(0.66D+50+10) ×tg5°×2+15=28.59mm。第 6 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计６ 计算物镜口径 ： 由于整个系统的渐晕系数为 0.5，所以物镜也限制了成像光束的口径， 因此物镜口径也为 15mm。 ∴道威棱镜和物镜的距离为 d3=15/tg5°/2-63.52=22.21mm７ 计算目镜口径： D=2×(f’目+f’物) ×tg5°=2×(111+30) ×tg5°=24.67mm８ 计算底端棱镜和分化板尺寸： Ａ、底端棱镜的尺寸 。底端棱镜由 K9 玻璃制成，所以其相当空气层 厚度为：E=1.732D/1.5163=1.14D。 ∵d4=185-63.52-22.21-50-26.85/2=35.86mm α’=arctg(111×tg5°-15/2)/111=1.14° ∴可由图得关系式： d4-D/2=(D/2-15/2)/tgα’ ∴D=16.11mm Ｂ ．分划板的尺寸： D=111×tg5°×2=19.42mm第 7 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计９ 验证出瞳距离和潜望高：A.验证出瞳距离：h=111×tg5°=9.71mmα=arctg(h/30)=arctg(9.71/30)=17.93°β=arctg(19.42/2-15/2)/111=1.14°h’=19.42/2-30×tgβ=9.11mmh0=(24.67/2+h’)/2=10.72mm∴l’z=10.72/tgα=33.14mmB. 验证潜望高H=d1+d2+d3+d4=(50+26.85/2)+63.52+22.21+35.86=185mm四 各光学零件主要尺寸总结１、保护玻璃Ｌ＝28.59mm2、顶端棱镜Ｄ=26.85mm3、道威棱镜Ｄ＝15mm d2=44.91×1.414=63.52 Ｄ＝71.7％4、物镜 d3= 22.21mmＤ＝1５mm５、目镜Ｄ＝24.67mm６、底端棱镜D=16.11mm７、分划板Ｄ＝19.42mm第 8 页 共 10 页五 系统原理图火炮周视瞄准镜光学设计参考文献： 应用光学，安连生，北京理工大学出版社 应用光学，胡玉禧，安连生，中国科学技术大学出版社 袁旭沧 编著：现代光学设计方法，北京理工大学出版社 李士贤 李林 主编：光学设计手册，北京理工大学出版社 第 9 页 共 10 页火炮周视瞄准镜光学设计 第 10 页 共 10 页

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