應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì) - 學(xué)生

1、應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì) 北京理工大學(xué)光電學(xué)院北京理工大學(xué)光電學(xué)院 李林，黃一帆李林，黃一帆0100106891256768912567李林：李林13641082083 黃一帆：黃一帆：1330116258813301162588l光學(xué)設(shè)計(jì)基本介紹光學(xué)設(shè)計(jì)基本介紹l棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理的學(xué)習(xí)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理的學(xué)習(xí)l綜合運(yùn)用應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容，進(jìn)行周視綜合運(yùn)用應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容，進(jìn)行周視瞄準(zhǔn)鏡外形尺寸計(jì)算，學(xué)會(huì)典型光學(xué)儀瞄準(zhǔn)鏡外形尺寸計(jì)算，學(xué)會(huì)典型光學(xué)儀器初步設(shè)計(jì)的一般方法；器初步設(shè)計(jì)的一般方法；火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初

2、步設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)基本介紹光學(xué)設(shè)計(jì)基本介紹 第一階段：根據(jù)儀器總的技術(shù)要求（性能指標(biāo)，外形體積、第一階段：根據(jù)儀器總的技術(shù)要求（性能指標(biāo)，外形體積、重量及有關(guān)技術(shù)條件），從儀器各部分（光學(xué)、機(jī)械、電重量及有關(guān)技術(shù)條件），從儀器各部分（光學(xué)、機(jī)械、電路、計(jì)算機(jī)控制）出發(fā)，擬定光學(xué)系統(tǒng)原理圖，并初步計(jì)路、計(jì)算機(jī)控制）出發(fā)，擬定光學(xué)系統(tǒng)原理圖，并初步計(jì)算系統(tǒng)的外形尺寸及各部分光學(xué)特性（焦距，物距像距，算系統(tǒng)的外形尺寸及各部分光學(xué)特性（焦距，物距像距，入瞳出瞳位置）等入瞳出瞳位置）等 根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確定每個(gè)透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（半根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確定每個(gè)透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑，厚度，間隔，玻璃材

3、料），保證滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量的徑，厚度，間隔，玻璃材料），保證滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求要求設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)大體分為兩個(gè)階段設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)大體分為兩個(gè)階段: :初步設(shè)計(jì)，外形尺寸計(jì)算初步設(shè)計(jì)，外形尺寸計(jì)算像差設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)像差設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計(jì)算望遠(yuǎn)鏡外形尺寸計(jì)算 對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求: :1. 1. 系統(tǒng)的光學(xué)性能和技術(shù)條件；系統(tǒng)的光學(xué)性能和技術(shù)條件；2. 2. 系統(tǒng)的外形、體積和重量；系統(tǒng)的外形、體積和重量；3. 3. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、牢固性和便于調(diào)整；系統(tǒng)的穩(wěn)定性、牢固性和便于調(diào)整；4. 4. 對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求。對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求。光學(xué)系統(tǒng)外形

4、尺寸計(jì)算的主要內(nèi)容 1 1、根據(jù)光學(xué)特性和外形、體積等要求，擬定光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)特性和外形、體積等要求，擬定光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。例如，系統(tǒng)中采用幾個(gè)透鏡組的結(jié)構(gòu)原理圖。例如，系統(tǒng)中采用幾個(gè)透鏡組? ?它們之它們之間的成像關(guān)系如何間的成像關(guān)系如何? ?用什么型式的棱鏡系統(tǒng)用什么型式的棱鏡系統(tǒng)? ?各個(gè)光學(xué)零各個(gè)光學(xué)零件位置大體如何安排等等；件位置大體如何安排等等；2 2、確定每個(gè)透鏡組的光學(xué)特性，如焦距、相對(duì)孔徑和確定每個(gè)透鏡組的光學(xué)特性，如焦距、相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角等；同時(shí)確定各個(gè)透鏡組的相互間隔；視場(chǎng)角等；同時(shí)確定各個(gè)透鏡組的相互間隔；3 3、選擇系統(tǒng)的成像光束位置，并計(jì)算每個(gè)透鏡的通光選擇系

5、統(tǒng)的成像光束位置，并計(jì)算每個(gè)透鏡的通光口徑；口徑；4 4、根據(jù)成像質(zhì)量和光學(xué)特性的要求，選定系統(tǒng)中每個(gè)根據(jù)成像質(zhì)量和光學(xué)特性的要求，選定系統(tǒng)中每個(gè)透鏡組的型式。透鏡組的型式。 火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì) O1 例如周視瞄準(zhǔn)鏡：頂部棱鏡繞著過例如周視瞄準(zhǔn)鏡：頂部棱鏡繞著過O1點(diǎn)垂直于主截面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以把點(diǎn)垂直于主截面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以把棱鏡繞垂直軸棱鏡繞垂直軸O1O2轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)。 O2 棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理 目的：為了擴(kuò)大儀器的觀察范圍，常常利用旋轉(zhuǎn)平目的：為了擴(kuò)大儀器的觀察范圍，常常利用旋轉(zhuǎn)平面面 鏡和棱鏡的方法來改變儀器的光軸方向鏡和棱鏡的方法來改變儀器的光軸方向另外

6、在裝配調(diào)整中，利用棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)另外在裝配調(diào)整中，利用棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整系統(tǒng)的光軸方向或成像方向的偏差，即整系統(tǒng)的光軸方向或成像方向的偏差，即“光軸偏光軸偏”或或“像傾斜像傾斜”。研究棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)象空間方向和位置的影響研究棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)象空間方向和位置的影響 棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理在物空間不動(dòng)的條件下，當(dāng)棱鏡繞任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像空間在物空間不動(dòng)的條件下，當(dāng)棱鏡繞任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像空間位置和方向的變化。位置和方向的變化。當(dāng)棱鏡在平行光路中工作時(shí)當(dāng)棱鏡在平行光路中工作時(shí)( (對(duì)應(yīng)成像物體在無限遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)成像物體在無限遠(yuǎn)) )，只，只需要考慮像的方向；如果在非平行光路中工作需要考慮像的方向；如果在非平行光路中工作

7、( (對(duì)應(yīng)位在有對(duì)應(yīng)位在有限距離的虛物或?qū)嵨锵蘧嚯x的虛物或?qū)嵨? )，則既要考慮像的方向，也要考慮像，則既要考慮像的方向，也要考慮像的位置的位置 為表示棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向和位置的單位向量為表示棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向和位置的單位向量 為為P P在像空間的共軛像在像空間的共軛像, ,也是一個(gè)單位向量。也是一個(gè)單位向量。 為棱鏡的轉(zhuǎn)角，為棱鏡的轉(zhuǎn)角，符號(hào)規(guī)則：當(dāng)對(duì)著轉(zhuǎn)軸向量觀察時(shí)，逆時(shí)針為正，符號(hào)規(guī)則：當(dāng)對(duì)著轉(zhuǎn)軸向量觀察時(shí)，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。順時(shí)針為負(fù)。n n為棱鏡的總反射次數(shù)。為棱鏡的總反射次數(shù)。P P 棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理：棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理： “假設(shè)物空間不動(dòng)，棱鏡繞假設(shè)物空間不動(dòng)，棱鏡繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) ，則像空間首先，

8、則像空間首先繞繞PP轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(-1)(-1)n-1n-1然后繞然后繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”。 PP 棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理：棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理： 假設(shè)物空間不動(dòng)，棱鏡繞假設(shè)物空間不動(dòng)，棱鏡繞P P轉(zhuǎn)，則像空間首先繞轉(zhuǎn)，則像空間首先繞PP轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) (-1) (-1)n-1n-1，然后繞，然后繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”。 把像空間的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，用先后繞把像空間的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，用先后繞PP和和P P的兩次轉(zhuǎn)動(dòng)來表的兩次轉(zhuǎn)動(dòng)來表示。示。 有限轉(zhuǎn)動(dòng)不符合加法交換律，兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的順序不能顛倒。有限轉(zhuǎn)動(dòng)不符合加法交換律，兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的順序不能顛倒。 引入一個(gè)代表有限轉(zhuǎn)動(dòng)的特定符號(hào)引入一個(gè)代表有限轉(zhuǎn)動(dòng)的特定符號(hào)P。括號(hào)內(nèi)代表。括號(hào)內(nèi)代表轉(zhuǎn)角，它的符號(hào)規(guī)則如前所述。單

9、位向量轉(zhuǎn)角，它的符號(hào)規(guī)則如前所述。單位向量P P代表轉(zhuǎn)軸的位置和代表轉(zhuǎn)軸的位置和方向。方向。 P只是一個(gè)表示有限轉(zhuǎn)動(dòng)的符號(hào)，而不能看作是一個(gè)只是一個(gè)表示有限轉(zhuǎn)動(dòng)的符號(hào)，而不能看作是一個(gè)向量。向量。 棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理可以用上述符號(hào)表示如下：棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理可以用上述符號(hào)表示如下： AA= =(-1)(-1)n-1n-1P+ +P 符號(hào)符號(hào)AA只是作為像空間轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)代號(hào)，沒有別只是作為像空間轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)代號(hào)，沒有別的含意。的含意。 P和和(-1)(-1)n-1n-1P不是向量，不能按向量運(yùn)算規(guī)不是向量，不能按向量運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行向量運(yùn)算。根據(jù)符號(hào)的定義，以下兩種關(guān)系顯然成立：則進(jìn)行向量運(yùn)算。根據(jù)符號(hào)的

10、定義，以下兩種關(guān)系顯然成立： 1 1P+ +2 2P= =(1 1+2) ) P （- -P）= =-P 第一個(gè)等式說明，先繞第一個(gè)等式說明，先繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1 1后，再繞后，再繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)2 2，就等于繞，就等于繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(1 1+ + 2 2) ) 第二個(gè)等式則說明，繞第二個(gè)等式則說明，繞(-P)(-P)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)就等于繞就等于繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)- 定理證明定理證明 物空間不動(dòng)，棱鏡經(jīng)繞物空間不動(dòng)，棱鏡經(jīng)繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng) ，設(shè)想分成兩步來實(shí)現(xiàn)。，設(shè)想分成兩步來實(shí)現(xiàn)。 第一步：設(shè)棱鏡不動(dòng)，物空間繞第一步：設(shè)棱鏡不動(dòng)，物空間繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)-，如果反射次數(shù)，如果反射次數(shù)n n為奇數(shù)，為奇數(shù)

11、，系統(tǒng)成鏡像，像空間將繞系統(tǒng)成鏡像，像空間將繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；如果；如果n n為偶數(shù)，物像相似，像空間為偶數(shù)，物像相似，像空間繞繞PP轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)-；總的說來，相當(dāng)于像空；總的說來，相當(dāng)于像空 間轉(zhuǎn)間轉(zhuǎn)(-1)(-1)n-1n-1。 - - 總結(jié)果總結(jié)果: : 物空間不動(dòng)物空間不動(dòng) 棱鏡繞棱鏡繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 像空間首先繞像空間首先繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) (-1)(-1)n-1n-1, , 然后繞然后繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 第二步：物空間和棱鏡一起繞第二步：物空間和棱鏡一起繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，像空間顯然也繞，像空間顯然也繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。第一步：物空間繞第一步：物空間繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)- - 棱鏡不動(dòng)棱鏡不動(dòng) 像空間繞像空間繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(-1)

12、(-1)n-1n-1第二步：物空間繞第二步：物空間繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 棱鏡繞棱鏡繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 像空間繞像空間繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)這樣最后總的結(jié)果就是：物空間回到了原始位置，棱鏡繞這樣最后總的結(jié)果就是：物空間回到了原始位置，棱鏡繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，像空間首先繞像空間首先繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(-1)(-1)n-1n-1，然后繞，然后繞P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。1. 1.上述結(jié)論只涉及到棱鏡的總反射次數(shù)，而并沒有上述結(jié)論只涉及到棱鏡的總反射次數(shù)，而并沒有涉及棱鏡的具體形式，因此它對(duì)任意的平面鏡棱鏡涉及棱鏡的具體形式，因此它對(duì)任意的平面鏡棱鏡系統(tǒng)都是成立的。系統(tǒng)都是成立的。 2.2.證明中似乎對(duì)轉(zhuǎn)角證明中似乎對(duì)轉(zhuǎn)角沒有什么限制，但實(shí)際上沒有什

13、么限制，但實(shí)際上是有限制的。是有限制的。 首先，如果轉(zhuǎn)角過大，光線無法進(jìn)入平面鏡棱首先，如果轉(zhuǎn)角過大，光線無法進(jìn)入平面鏡棱鏡系統(tǒng)鏡系統(tǒng) 其次對(duì)棱鏡系統(tǒng)來說，除去反射平面而外，還其次對(duì)棱鏡系統(tǒng)來說，除去反射平面而外，還相當(dāng)于在共軸系統(tǒng)中加入了一塊平行玻璃板，當(dāng)棱相當(dāng)于在共軸系統(tǒng)中加入了一塊平行玻璃板，當(dāng)棱鏡在非平行光路中轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)軸和入射光軸又不鏡在非平行光路中轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)軸和入射光軸又不平行時(shí)，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)以后，入射光軸就不再垂直棱鏡平行時(shí)，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)以后，入射光軸就不再垂直棱鏡的入射面，這就破壞了系統(tǒng)的共軸性。的入射面，這就破壞了系統(tǒng)的共軸性。 一、一、 在平行光路中工作的棱鏡，繞垂直于棱鏡主截

14、面的在平行光路中工作的棱鏡，繞垂直于棱鏡主截面的z z軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng) 平行光路中，只需要考慮像空間的方向，而不用考慮其位置平行光路中，只需要考慮像空間的方向，而不用考慮其位置 P P和和PP都看作自由向量。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定理都看作自由向量。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定理 AA= =(-1)(-1)n-1n-1P+ +P 在沒有屋脊面的情形，有在沒有屋脊面的情形，有 P=zP=z, ,P=z=zP=z=z，得：，得： AA= =(-1)(-1)n-1n-1z+ +zABCxyzxyz 當(dāng)棱鏡的總反射次數(shù)當(dāng)棱鏡的總反射次數(shù)n n為偶數(shù)時(shí)，為偶數(shù)時(shí)， AA= =-z+ +z=0=0 當(dāng)棱鏡的總反射次數(shù)為奇數(shù)時(shí)，當(dāng)棱鏡的總反射

15、次數(shù)為奇數(shù)時(shí)， AA= =z+ +z= =22z 當(dāng)棱鏡繞當(dāng)棱鏡繞z z軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)時(shí)，如果反射次數(shù)為偶數(shù)，則像空間方時(shí)，如果反射次數(shù)為偶數(shù)，則像空間方向不變，如果反射次數(shù)為奇數(shù)，則像空間繞向不變，如果反射次數(shù)為奇數(shù)，則像空間繞z z軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)22。和討。和討論平面鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)論完全相同。論平面鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)論完全相同。 在屋脊棱鏡的情形，在屋脊棱鏡的情形，P=zP=z, ,P=z=-zP=z=-z，得，得 ：AA= =(-1)(-1)n-1n-1P+ +P= =(-1)(-1)n nz+z 當(dāng)總反射次數(shù)當(dāng)總反射次數(shù)n n為偶數(shù)時(shí)，為偶數(shù)時(shí)，AA=z+ +z=0=0 當(dāng)總反射次數(shù)當(dāng)總反射次數(shù)n n為奇數(shù)時(shí)

16、，為奇數(shù)時(shí)，AA= =-z+ +z= =2z2zxyzxyzxyzyxz二、平行光路中，入射和出射光軸平行，繞入射光軸二、平行光路中，入射和出射光軸平行，繞入射光軸x轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 1.入射和出射光軸平行同向有入射和出射光軸平行同向有P=x,P=x=x 代入符號(hào)表示式代入符號(hào)表示式(6-4)得：得： A=(-1)n-1x+x 當(dāng)總反射次數(shù)當(dāng)總反射次數(shù)n為偶數(shù)時(shí)，為偶數(shù)時(shí)， A=-x+x=0 當(dāng)總反射次數(shù)當(dāng)總反射次數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，為奇數(shù)時(shí)， A=x+x=2x 入射和出射光軸平行同向，棱鏡繞光軸入射和出射光軸平行同向，棱鏡繞光軸x轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，反射次數(shù)，反射次數(shù)n為為偶數(shù)時(shí)像不轉(zhuǎn)，反射次數(shù)偶數(shù)時(shí)像不轉(zhuǎn)，反射次數(shù)n

17、為奇數(shù)時(shí)，則像轉(zhuǎn)為奇數(shù)時(shí)，則像轉(zhuǎn)2。xyzyxz2. 入射和出射光軸平行反向有入射和出射光軸平行反向有 P=x,P=x=-xA=(-1)n-1(-x)+x=(-1)nx+x 當(dāng)反射次數(shù)當(dāng)反射次數(shù)n為偶數(shù)時(shí)，為偶數(shù)時(shí)， A=x+x=2x 當(dāng)反射次數(shù)當(dāng)反射次數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，為奇數(shù)時(shí)， A=-x+x=0 當(dāng)入射和出射光軸平行反向，棱鏡繞光軸轉(zhuǎn)當(dāng)入射和出射光軸平行反向，棱鏡繞光軸轉(zhuǎn)，反射，反射次數(shù)次數(shù)n為偶數(shù)時(shí)像轉(zhuǎn)為偶數(shù)時(shí)像轉(zhuǎn)2，反射次數(shù)，反射次數(shù)n為奇數(shù)時(shí)像不轉(zhuǎn)。為奇數(shù)時(shí)像不轉(zhuǎn)。xyzyxz三、三、 出射和入射光軸垂直，棱鏡繞入射光軸轉(zhuǎn)動(dòng)出射和入射光軸垂直，棱鏡繞入射光軸轉(zhuǎn)動(dòng) 有有: P=x,P=x

18、得：得： A=(-1)n-1x+x 當(dāng)當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)為偶數(shù)時(shí): A=-x+x 當(dāng)當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)為奇數(shù)時(shí): A=x+x 當(dāng)入射和出射光軸垂直時(shí)，棱鏡繞入射光軸轉(zhuǎn)當(dāng)入射和出射光軸垂直時(shí)，棱鏡繞入射光軸轉(zhuǎn) ，如果反，如果反射次數(shù)為偶數(shù)，像空間首先繞出射光軸統(tǒng)射次數(shù)為偶數(shù)，像空間首先繞出射光軸統(tǒng)-，然后繞入射光，然后繞入射光軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)；如果反射次數(shù)為奇數(shù)，則像空間首先繞出射光軸轉(zhuǎn)；如果反射次數(shù)為奇數(shù)，則像空間首先繞出射光軸轉(zhuǎn)，然后再繞入射光軸轉(zhuǎn)然后再繞入射光軸轉(zhuǎn)。xyzyxzo1o2o4123例一例一 在下圖中，棱鏡在下圖中，棱鏡2、3一起繞一起繞O1O2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),然后棱鏡然后棱鏡3再按同一方向繞再按同一方向繞

19、O4O3轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，求出射光軸的方向和像的方向，求出射光軸的方向和像的方向的變化。的變化。 先確定棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前的成像方向。屬于單一主截面的系統(tǒng)，先確定棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前的成像方向。屬于單一主截面的系統(tǒng)，沒有屋脊面，沒有屋脊面， z與與z同向。光軸同向，總反射次數(shù)為偶數(shù)，同向。光軸同向，總反射次數(shù)為偶數(shù)，根據(jù)物像相似的關(guān)系，根據(jù)物像相似的關(guān)系，y與與y也同向。也同向。o3x x 棱鏡棱鏡2 2、3 3的入射光軸就是的入射光軸就是O O1 1O O2 2，出射光軸與入射光軸垂，出射光軸與入射光軸垂直，棱鏡直，棱鏡2 2、3 3一起繞一起繞O O1 1O O2 2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，也就是繞入射光軸轉(zhuǎn)，也就是繞入射光軸轉(zhuǎn)。根。根

20、據(jù)前面的結(jié)論，棱鏡據(jù)前面的結(jié)論，棱鏡2 2、3 3共反射三次，奇次反射，故像平面共反射三次，奇次反射，故像平面首先繞出射光軸首先繞出射光軸xx轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，然后出射光軸再繞，然后出射光軸再繞O O1 1O O2 2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。 xyzyxzo1o2o4123o3x x 接著棱鏡接著棱鏡3 3再繞再繞O O4 4O O3 3轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，由于，由于O O4 4O O3 3和棱鏡和棱鏡3 3的入射光軸反的入射光軸反向，相當(dāng)于棱鏡向，相當(dāng)于棱鏡3 3繞它的入射光軸轉(zhuǎn)繞它的入射光軸轉(zhuǎn)-，此時(shí)入射光軸和出，此時(shí)入射光軸和出射光軸垂直，反射一次，故像平面將繞出射光軸轉(zhuǎn)射光軸垂直，反射一次，故像平面將繞出射光軸轉(zhuǎn)-，然，然后出射

21、光軸再繞后出射光軸再繞O O4 4O O3 3轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。xyzyxzo1o2o4123o3綜合起來，第一次出射光軸繞綜合起來，第一次出射光軸繞O O1 1O O2 2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，第二次出射光軸，第二次出射光軸再繞再繞O O4 4O O3 3轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，因?yàn)椋驗(yàn)镺 O1 1O O2 2和和O O4 4O O3 3同向，所以相當(dāng)于出射光同向，所以相當(dāng)于出射光軸繞軸繞O O1 1O O2 2轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)22，而像平面，而像平面yzyz相對(duì)于出射光軸沒有轉(zhuǎn)相對(duì)于出射光軸沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)棱鏡系統(tǒng)如按上述規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變光軸的方動(dòng)。這個(gè)棱鏡系統(tǒng)如按上述規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變光軸的方向，而像保持不轉(zhuǎn)。向，而像保持不轉(zhuǎn)。x x x x x

22、 y z y z x 例二要求設(shè)計(jì)一個(gè)棱鏡系統(tǒng)，入射光軸和出射光軸之例二要求設(shè)計(jì)一個(gè)棱鏡系統(tǒng)，入射光軸和出射光軸之間有間有300mm300mm的潛望高，同時(shí)物方光軸的潛望高，同時(shí)物方光軸0O0O1 1能在水平和垂直兩能在水平和垂直兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，而出射光軸方向維持不變，如圖所示，物個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，而出射光軸方向維持不變，如圖所示，物與像相似，并且永遠(yuǎn)反向與像相似，并且永遠(yuǎn)反向( (即物方光軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像不產(chǎn)生即物方光軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)) )o1o2oo 為了在水平面和垂直面內(nèi)改變光軸的方向，可以在光軸為了在水平面和垂直面內(nèi)改變光軸的方向，可以在光軸上端上端O O1 1點(diǎn)的位置安置一個(gè)直角棱

23、鏡，使之繞水平和垂直點(diǎn)的位置安置一個(gè)直角棱鏡，使之繞水平和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棱鏡繞經(jīng)過軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棱鏡繞經(jīng)過O O1 1點(diǎn)垂直于主截面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)垂直于主截面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像的方向不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)棱鏡繞時(shí)，像的方向不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)棱鏡繞O O1 1O O2 2軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果物平面相對(duì)主截面不動(dòng)，像平面亦將隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。我如果物平面相對(duì)主截面不動(dòng)，像平面亦將隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。我們要求像平面不轉(zhuǎn)，必須使像面產(chǎn)生個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。們要求像平面不轉(zhuǎn)，必須使像面產(chǎn)生個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于要求出射光軸的方向不變，系統(tǒng)下端使光軸改變由于要求出射光軸的方向不變，系統(tǒng)下端使光軸改變9090的棱鏡顯然不能轉(zhuǎn)的棱鏡

24、顯然不能轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就必須動(dòng)。這樣就必須加入一個(gè)棱鏡，利用它加入一個(gè)棱鏡，利用它的旋轉(zhuǎn)來補(bǔ)償像平面的的旋轉(zhuǎn)來補(bǔ)償像平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，而不使光軸的方轉(zhuǎn)動(dòng)，而不使光軸的方向改變。根據(jù)前面的規(guī)向改變。根據(jù)前面的規(guī)則，在光軸同向的情形，則，在光軸同向的情形，欲利用棱鏡的旋轉(zhuǎn)使像欲利用棱鏡的旋轉(zhuǎn)使像面轉(zhuǎn)動(dòng)，反射次數(shù)應(yīng)為面轉(zhuǎn)動(dòng)，反射次數(shù)應(yīng)為奇數(shù)。奇數(shù)。x y z y z x o1o2oo z x y z y x 0 0-1; 0-1; 0-3; 0-3; 0-5-5因此必須在系統(tǒng)中加入下列性能的棱鏡：因此必須在系統(tǒng)中加入下列性能的棱鏡：x y z y z x o1o2oo 頂端的直角棱鏡與轉(zhuǎn)像棱鏡的反射次數(shù)之和為

25、偶數(shù)。系統(tǒng)要求物和像反向，頂端的直角棱鏡與轉(zhuǎn)像棱鏡的反射次數(shù)之和為偶數(shù)。系統(tǒng)要求物和像反向，入射和出射光軸同向，因此下端反射棱鏡的反射次數(shù)應(yīng)為奇數(shù)。故可采用入射和出射光軸同向，因此下端反射棱鏡的反射次數(shù)應(yīng)為奇數(shù)。故可采用一個(gè)一個(gè)9090-1-1的直角棱鏡，但成的直角棱鏡，但成“鏡像鏡像”。為了使物和像相似，必須把上下。為了使物和像相似，必須把上下兩個(gè)棱鏡中的一個(gè)反射面改為屋脊面兩個(gè)棱鏡中的一個(gè)反射面改為屋脊面( (屋脊面不能加在轉(zhuǎn)像棱鏡上，因?yàn)檫@屋脊面不能加在轉(zhuǎn)像棱鏡上，因?yàn)檫@樣會(huì)使轉(zhuǎn)像棱鏡的反射次數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，則棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像不轉(zhuǎn)樣會(huì)使轉(zhuǎn)像棱鏡的反射次數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，則棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像不轉(zhuǎn)) )。例

26、如，將。例如，將下端的直角棱鏡用直角屋脊棱鏡下端的直角棱鏡用直角屋脊棱鏡909022代替。從代替。從“光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)”中能找中能找到滿足上述要求的棱鏡，用這些棱鏡可以組成到滿足上述要求的棱鏡，用這些棱鏡可以組成4-414-41所示的五種型式的棱鏡所示的五種型式的棱鏡系統(tǒng)。系統(tǒng)。z x y z y x 0 0-1; 0-1; 0-3; 0-3; 0-5-5z x y z y 當(dāng)棱鏡當(dāng)棱鏡1 1和和2 2一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果物空間坐標(biāo)跟著轉(zhuǎn)，即物相一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果物空間坐標(biāo)跟著轉(zhuǎn)，即物相對(duì)棱鏡主截面不動(dòng)，像面將和棱鏡同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棱鏡對(duì)棱鏡主截面不動(dòng)，像面將和棱鏡同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棱鏡2 2單獨(dú)單獨(dú)

27、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像平面的轉(zhuǎn)角等于棱鏡轉(zhuǎn)角的二倍。因此，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像平面的轉(zhuǎn)角等于棱鏡轉(zhuǎn)角的二倍。因此，棱鏡1 1和和2 2同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后把棱鏡，然后把棱鏡2 2按相反方向轉(zhuǎn)按相反方向轉(zhuǎn)/2/2，即可補(bǔ)，即可補(bǔ)償像的旋轉(zhuǎn)。換句話說，棱鏡償像的旋轉(zhuǎn)。換句話說，棱鏡2 2的轉(zhuǎn)角應(yīng)為棱鏡的轉(zhuǎn)角應(yīng)為棱鏡1 1的轉(zhuǎn)角的的轉(zhuǎn)角的一半。一半。1 2 x 37 .X210lmmz 20一、光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)要求一、光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)要求光學(xué)特性：光學(xué)特性：視放大率：視放大率： 物方視場(chǎng)角：物方視場(chǎng)角：出瞳直徑：出瞳直徑： D=4mm出瞳距離：出瞳距離：火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)潛望高潛望高H H18

28、5185毫米毫米要求成正像要求成正像光學(xué)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)：俯仰瞄準(zhǔn)范圍光學(xué)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)：俯仰瞄準(zhǔn)范圍1818 水平瞄準(zhǔn)范圍水平瞄準(zhǔn)范圍360360俯仰和周視中觀察位置不變俯仰和周視中觀察位置不變漸暈系數(shù)漸暈系數(shù)K K0.50.5二、設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容二、設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容1、周視瞄準(zhǔn)鏡綜述、周視瞄準(zhǔn)鏡綜述查閱相關(guān)資料，深入了解周視瞄準(zhǔn)鏡，原理，用途，種類查閱相關(guān)資料，深入了解周視瞄準(zhǔn)鏡，原理，用途，種類2、根據(jù)要求擬定光學(xué)系統(tǒng)的工作原理、根據(jù)要求擬定光學(xué)系統(tǒng)的工作原理光學(xué)系統(tǒng)基本形式：望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)基本形式：望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：物鏡、目鏡、分劃板、保護(hù)玻璃。物鏡、目鏡、分劃板、保護(hù)玻璃。 為形成潛望高，俯仰和周視，為形成潛望高，俯仰和周視， 考慮如何選擇棱鏡?？紤]如何選擇棱鏡。利用棱鏡轉(zhuǎn)