周視瞄準鏡的初步設計北京理工大學光電學院小學期作業(yè)

1、應用光學課程設計火炮周視瞄準鏡初步設計姓名：韓遇 班號：04111202 學號：1120120947專業(yè)：測控技術與儀器目錄一、綜述 4二、光學系統(tǒng)的技術要求 4三、根據要求擬定光學系統(tǒng)的工作原理 51、光學系統(tǒng)的基本形式 52、光學系統(tǒng)的基本結構 53、系統(tǒng)潛望高的形成 54、俯仰和周視范圍的確定 65、共軸系統(tǒng)和棱鏡系統(tǒng)的組合 86、孔徑光闌位置、物鏡位置的選定 8四、光學系統(tǒng)的外形尺寸計算 91、目鏡的設計92、物鏡的設計103、分劃板的尺寸設計114、系統(tǒng)中光學零件的外形尺寸設計11(1) 道威棱鏡外形尺寸的計算11(2) 物鏡通光口徑的計算 _,d(hiN 14(3) 頂端直角棱鏡尺

2、寸、保護玻璃尺寸的計算14(4) 屋脊棱鏡尺寸的計算16(5) 目鏡通光口徑的計算175、驗證系統(tǒng)參數17(1) 驗證出瞳距離17(1) 驗證潛望高18五、設計的光學系統(tǒng)的參數18六、系統(tǒng)設計圖示19七、參考書目19附錄 棱鏡轉動定理201、目的202、棱鏡轉動定理203、定理證明22一、 綜述 周視瞄準鏡是一種比較特殊的潛望式瞄準鏡，觀察者可以通過它來觀察周圍環(huán)境，而不用直視被觀察的物體。射擊手可以在不改變自己位置的前提下選擇不同方位的瞄準點，從而避免了射擊手為觀察不同方位而不停轉動頭部引起的頭暈惡心。周視瞄準鏡的目鏡位置不動而鏡頭能夠繞垂直軸在水平方向一定的角度范圍內進行觀察。按觀察范圍劃

3、分，周視瞄準鏡可以分為水平半周視和水平全周視。其中，觀察范圍小于360°的為水平半周視，達到360°的為水平全周視。在火炮上裝備周視瞄準鏡能使操作員更清晰方便地觀察遠距離目標，做出確的分析和瞄準，給予目標精確的打擊。二、光學系統(tǒng)的技術要求光學特性：視放大率：                     物方視場角：                      出瞳

4、直徑：                         出瞳距離：                       潛望高：                          要求成正像 光學系統(tǒng)要求實現俯仰瞄準范圍

5、7;18° 光學系統(tǒng)要求實現水平瞄準范圍360° 俯仰和周視中觀察位置不變 漸暈系數K=0.5.3.7倍視放大率能獲得較好的觀察精度4mm的出瞳直徑能在夜間觀察時，仍能獲得較好的視場潛望高為185mm能使瞄準者不被對方發(fā)現，有較好的隱藏效果出瞳距離至少20mm能保證該裝置在軍事領域的使用，保證瞄準手在佩戴防毒面具等裝置后仍能使用該裝置水平瞄準范圍和俯仰瞄準范圍分別為360°和±18°考慮到儀器的制作和使用的需求三、根據要求擬定光學系統(tǒng)的工作原理 1、 光學系統(tǒng)的基本形式：望遠系統(tǒng)；由于系統(tǒng)用于對遠距離目標進行觀察，

6、具有較大的視角放大率，且可以安裝分劃板，因此它必然是一個開卜勒望遠鏡，要使用正光焦度的物鏡和目鏡。2、光學系統(tǒng)的基本結構：物鏡、目鏡、分劃板、保護玻璃保護玻璃可以對系統(tǒng)起到密封的作用，分化板上刻線后可以進行測量和讀數物鏡和目鏡的選擇需保證像差小，分辨率高3、系統(tǒng)潛望高的形成由于系統(tǒng)要求有一定的潛望高度，所以可以采用兩個使光軸改變90°的棱鏡或平面鏡，但平面鏡的安裝、固定十分困難，而且所鍍的反光膜易變質、脫落，還會在反射時造成百分之十左右的光能損失，所以用平面鏡進行反射并不理想，而棱鏡則可以克服這些缺點，所以采用兩個使光軸改變90°的棱鏡形成潛望高?？紤]到系統(tǒng)的簡單易攜性，兩

7、個棱鏡都選用直角棱鏡。這樣既可以克服較大的光能損失，又便于安裝。因此，系統(tǒng)將采用兩塊直角棱鏡。4、俯仰和周視范圍的確定。為了在水平面和垂直面內改變光軸的方向，可以在光軸上端O1點的位置安置一個直角棱鏡，使之繞水平和垂直軸轉動。當棱鏡繞經過O1點垂直于主截面的水平軸轉動時，像的方向不會發(fā)生旋轉。但當棱鏡繞O1O2軸轉動時，如果物平面相對主截面不動，像平面亦將隨之轉動。我們要求像平面不轉，必須使像面產生個相反方向的轉動。由于要求出射光軸的方向不變，系統(tǒng)下端使光軸改變90°的棱鏡顯然不能轉動。這樣就必須加入一個棱鏡，利用它的旋轉來補償像平面的轉動，而不使光軸的方向改變。根據前面的規(guī)則，在光

8、軸同向的情形，欲利用棱鏡的旋轉使像面轉動，反射次數應為奇數。因此必須在系統(tǒng)中加入下列性能的棱鏡：0°-1; 0°-3; 0°-5下圖為可以采用的組合：頂端的直角棱鏡與轉像棱鏡的反射次數之和為偶數。系統(tǒng)要求物和像反向，并且整個系統(tǒng)的入射和出射光軸同向，因此下端反射棱鏡在同一主截面內的反射次數應為奇數。故可采用一個90°-1的直角棱鏡，但成“鏡像”。為了使物和像相似，必須把上下兩個棱鏡中的一個反射面改為屋脊面(屋脊面不能加在轉像棱鏡上，因為這樣會使轉像棱鏡的反射次數變?yōu)榕紨?，則棱鏡轉動時，像不轉)。例如，將下端的直角棱鏡用直角屋脊棱鏡90°2代替

9、?？紤]系統(tǒng)的輕便性，選擇了道威棱鏡。道威棱鏡的入射面和光軸不垂直，必須在平行光束中，它可能的位置有兩個，一個是在物鏡的前面，另一個是在兩個轉像透鏡組之間。由于道威棱鏡需工作在平行光路中，所以在道威棱鏡前不能放物鏡。故道威棱鏡應放在物鏡的前面。當棱鏡1和2一起轉動時，如果物空間坐標跟著轉，即物相對棱鏡截面不動，像面將和棱鏡同時轉動。當棱鏡2單獨轉動時，像平面的轉角等于棱鏡轉角的二倍。因此，棱鏡1和2同時轉動，然后把棱鏡2按相反方向轉/2，即可補償像的旋轉。換句話說，棱鏡2的轉角應為棱鏡1的轉角的一半。 5、共軸系統(tǒng)和棱鏡系統(tǒng)的組合 為了便于觀察和瞄準，要求系統(tǒng) 應成正像，可以考慮加入倒像系統(tǒng)。由

10、于系統(tǒng)要求有一定的潛望高度，所以可以考慮必須加入透鏡式倒像系統(tǒng)，為了減小光學零件的口徑也可以考慮加入場鏡。因此共軸系統(tǒng)中可以包括包括物鏡，目鏡，一對倒像透鏡，場鏡。但是限于設計的簡便性，本裝置中我們不考慮。6、孔徑光闌位置、物鏡位置的選定 由于端部直角棱鏡要俯仰，所以共軸系統(tǒng) 和棱鏡系統(tǒng)的組合必須在共軸系統(tǒng)物鏡前面的平行光束中，另外道威棱鏡的入射面和光軸不垂直，也必須在平行光束中，它可能的位置有兩個，一個是在物鏡的前面，另一個是在兩個轉像透鏡組之間，由于道威棱鏡在相同的通光口徑下尺寸比其它光學零件大得多，因此應把孔徑光闌選在道威棱鏡上，另外，要盡可能的減小兩個棱鏡的通光口徑，最好使斜光束的主光

11、線通過棱鏡中心，也通過道威棱鏡中心，由于道威棱鏡需工作在平行光路中，所以在道威棱鏡前不能放物鏡，如果兩個棱鏡都在物鏡的前面，主光線當然不能同時通過這兩個棱鏡的中心，并考慮到物鏡和目鏡的焦距，和分化版的位置，整個光學系統(tǒng)，物鏡應位于底端屋脊棱鏡與道威棱鏡之間。四、光學系統(tǒng)的外形尺寸計算1、目鏡的設計（1）目鏡的光學特性包括： 1）視場角大，這是其顯著特點，通常的目鏡都在40°左右，廣角目鏡在60°左右，特廣角目鏡甚至超過100°2）相對孔徑小，一般小于1：5；3）焦距較短，一般在15-30左右4）入瞳和出瞳遠離透鏡組，這就意味著軸外光束在透鏡組上的投射高很大，目鏡尺

12、寸會增加。（2）目鏡的結構型式，及有關特性參數 目鏡的視場為 tg'=×tg根據系統(tǒng)光學特性的要求。將=3.7×，物方視場角 2=10° ，代入上式，得目鏡的視場角為tg'=×tg=3.7×tg5°=0.324   '=17.94°  2'=35.88° 因為出瞳距離lz要不小于20mm，所以應該選一個長出瞳距離的目鏡，同時考慮到是瞄準儀器，所以選用對稱目鏡較為合適。對稱目鏡結構簡單，加工方便，相對出瞳距離較大，在軍用儀器中廣泛使用。對稱目鏡由兩個雙膠合

13、透鏡構成，光學特性為：目鏡視場角為  2'=65°72° 相對出瞳距離為  3/4由相對出瞳距離和系統(tǒng)所要求的出瞳距離lz，即可求的其大致的焦距l(xiāng)z20mm，lz=×f目20mm故 f目27mm。在這里取 f目=30mm。2、物鏡的設計（1）物鏡的光學特性：1）相對孔徑小，一般小于1：5；2）視場較小，通常望遠鏡的視場都不大于10°.（2）物鏡的結構型式，及有關特性參數取倒像系統(tǒng)的放大率等于-1，據公式 = -將 =-3.7，f目=30mm 代入公式得： f物=111mm（3）入瞳直徑（入射光束口徑）和相對孔徑據公式 = 其中

14、 D=4mm ，=3.7 得入瞳直徑為： D=3.7×4=14.8mm物鏡相對口徑：=0.133根據物鏡焦距和相對孔徑的要求，可以采用雙膠合透鏡組作為系統(tǒng)的物鏡。 3、分劃板的尺寸設計由無窮遠物體理想像高的計算公式有分劃板半徑 d=y=- f物×tg=9.71 mm分劃板直徑 D=19.42mm4、系統(tǒng)中光學零件的外形尺寸設計為了最大程度的減小兩個棱鏡的尺寸，要求斜光束的主光線同時通過端部棱鏡和道威棱鏡的中點，借此確定了系統(tǒng)中成像的斜光束的位置，就可以計算出每個光學零件的通光口徑。取道威棱鏡與直角屋脊棱鏡的通光口徑都等于軸向光束的口徑，把入射和出射主光線和光軸的交點，作為入

15、瞳和出瞳的位置，把系統(tǒng)中主光線和光軸的交點，即道威棱鏡的中點，作為名義孔徑光闌。(1)道威棱鏡外形尺寸的計算取 D=3.7×4=14.8mm AI E aID B C假定光束的入射角為I=45°玻璃的折射率為nsinI=cosI= = 故D=EBsin45°=AB-AE= 易得D= 對于 玻璃，代入得D=0.334a 取n=1.5136a=44.31mm。 =44.31×1.414=62.66  其中a為道威棱鏡展開成玻璃板后，沿光軸方向的斜高度。在軸向光束情況下 將玻璃板換算成相當空氣層Ea=K由于光軸與道威棱鏡表面的入射角為45°

16、，查的K=0.8，將參數代入公得其相對空氣層厚為Ea=44.31×=23.42mm。在斜光束情況下，計算如下：如圖：儀器光學特性要求漸暈系數k=0.5,為此需驗證由道威棱鏡產生的漸暈，如下圖所示：ELEaD當光線以-5°視場角入射時存在漸暈，圖中畫出了斜入射光束范圍Dw。首先Ea=44.31×=23.42mm。則根據上圖幾何關系：Dw=14.8-(23.42×2+15)tg5°=10.59解得：KD=Dw/D=0.72,這說明要使?jié)u暈系數為0.5，物鏡也起到了限制光束的作用。當光線以+5°視場角入射時存在漸暈，圖中畫出了斜入射光束范圍

17、Dw。ELED如圖中幾何關系：Dw=14.8-23.42××tg5°+14.8×tg5°=13.2算得：KD=Dw/D=0.89,同樣這說假如使?jié)u暈系數為0.5，物鏡也起到了限制光束的作用，并取其通光口徑為D=14.8mm(2)物鏡通光口徑的計算 _,d(hiN   由于整個系統(tǒng)的漸暈系數要求大于0.5，因此物鏡也可以限制成像光束的口徑，在前面取道威棱鏡的通光口徑為14.8mm，則因此經過道威棱鏡后進入物鏡的口徑也為D=14.8mm。  道威棱鏡和物鏡的最大距離為 =-62.66=21.92mmd3在此處取d3=20mm D

18、(3)頂端直角棱鏡尺寸、保護玻璃尺寸的計算：頂端直角棱鏡尺寸計算取道威棱鏡與頂部直角棱鏡的距離為d1=50mm采用K9玻璃制成所以頂端直角棱鏡的相當空氣層厚度為 El=9.78mm頂部棱鏡相當空氣層前端面距轉軸O的距離為，后端面距轉軸O的距離為。易得當光線以，正入射，三種情況入射時，入射所需保護玻璃和頂部直角棱鏡的口徑最大。因此只需計算入射所需保護玻璃和頂部直角棱鏡的口徑。同時，可以看出，保護玻璃和頂部直角棱鏡組成的系統(tǒng)在仰角為，無俯仰，俯角為三種情況下，由于道威棱鏡展開后的相當空氣層呈仰角，所以仰角為時，所需保護玻璃和頂部直角棱鏡的口徑最大。所以我們只需考慮光線以入射，同時保護玻璃和頂部直角

19、棱鏡組成的系統(tǒng)在仰角為時保護玻璃和頂部直角棱鏡口徑的大小。 0.16 +50 45°5°PEHCABG9°由幾何關系得 聯立，解得 27.32mm保護玻璃的尺寸取保護玻璃和頂端棱鏡的距離為15mm易得 AB=6.168mmAC=69.373mmEC=AC+ =84.357mmEG=7.5002mm (EG+ )*2=29.984mm(4) 屋脊棱鏡尺寸的計算 對于屋脊棱鏡經查表得： L=1.732D=1.732×14.8=25.63mm同樣采用K9玻璃，則相當空氣層的厚度為 e=16.94mm可得d4=H-d1-d2-d3=185-50-62.66-20

20、.00=52.34mm且有 w= arctg=1.19° d4+e=解得屋脊棱鏡的口徑為 （5）目鏡通光口徑的計算 目鏡與分劃板距離為f目=30mm物鏡f物=111f目=30lz目鏡考慮下邊緣入射的一條光線：tantan=- 解得：tan=-0.2208=-14.8-(f物+f目) tan=16.3328mmD目=32.6656mm5、驗證系統(tǒng)參數（1）驗證出瞳距離h=111×tg5°=9.71mm=1.19° h=-30×tg=9.087mm h0=12.71mm lz=39.27mm（2）驗證潛望高H=d1+d2+d3+d4+d5

21、=50+62.66+20+52.34=185mm出瞳距離和潛望高符合要求五、設計的光學系統(tǒng)的參數 1、保護玻璃 =29.98mm 2、頂端棱鏡 =27.32mm 3、道威棱鏡     =14.8mm d2=62.66mm4、物鏡         =14.8mmd3=20mm f物=111mm 、目鏡         =32.67mm f目=30mm、底端棱鏡 =17.66mm 、分劃板 

22、    =19.42mm 15mm50mm62.66mm20mm52.34mm58.66mm30mm六、系統(tǒng)設計圖示 58.66mm七、參考書目應用光學，李林，北京理工大學出版社 現代光學設計方法，李林，北京理工大學出版社 光學設計手冊，李林，北京理工大學出版社附錄 棱鏡轉動定理一、目的：為了擴大儀器的觀察范圍，常常利用旋轉平面鏡和棱鏡的方法來改變儀器的光軸方向例如：周視瞄準鏡：頂部棱鏡繞著過O1點垂直于主截面的軸轉動，也可以把棱鏡繞垂直軸O1O2轉動。另外在裝配調整中，利用棱鏡的轉動來調整系統(tǒng)的光軸方向或成像方向的偏差，即“光軸偏”或“像傾斜”。二、棱鏡轉動定理

23、棱鏡轉動定理是研究棱鏡轉動對象空間方向和位置的影響。在物空間不動的條件下，當棱鏡繞任意軸轉動時，像空間位置和方向的變化。當棱鏡在平行光路中工作時(對應成像物體在無限遠)，只需要考慮像的方向；如果在非平行光路中工作(對應位在有限距離的虛物或實物)，則既要考慮像的方向，也要考慮像的位置。棱鏡轉動定理： “假設物空間不動，棱鏡繞P轉 ，則像空間首先繞P轉(-1), 然后繞P轉”。 為表示棱鏡轉動方向和位置的單位向量。為P在像空間的共軛像,也是一個單位向量，為棱鏡的轉角。符號規(guī)則：當對著轉軸向量觀察時，逆時針為正，順時針為負。n為棱鏡的總反射次數。把像空間的轉動情況，用先后繞P和P的兩次轉動來表示。

24、有限轉動不符合加法交換律，兩次轉動的順序不能顛倒。引入一個代表有限轉動的特定符號P。括號內代表轉角，它的符號規(guī)則如前所述。單位向量P代表轉軸的位置和方向。p只是一個表示有限轉動的符號，而不能看作是一個向量。棱鏡轉動定理可以用上述符號表示如下： A=(-1)n-1P+P符號A只是作為像空間轉動狀態(tài)的一個代號，沒有別的含意。P和(-1)n-1P不是向量，不能按向量運算規(guī)則進行向量運算。根據符號的定義，以下兩種關系顯然成立： 1P+2P=(1+2)P （-P）=-P第一個等式說明，先繞P轉1后，再繞P轉2，就等于繞P轉(1+ 2)第二個等式則說明，繞(-P)轉就等于繞P轉-三、定理證明 物空間不動，

25、棱鏡經繞P轉這樣一個運動 ，設想分成兩步來實現。 第一步：設棱鏡不動，物空間繞P轉-，如果反射次數n為奇數，系統(tǒng)成鏡像，像空間將繞P轉；如果n為偶數，物像相似，像空間繞P轉-；總的說來，相當于像空 間轉(-1)n-1。 第二步：物空間和棱鏡一起繞P轉，像空間顯然也繞P轉這樣最后總的結果就是：物空間回到了原始位置，棱鏡繞P轉，像空間首先繞P轉(-1)n-1，然后繞P轉。第一步：物空間繞P轉- 棱鏡不動 像空間繞P轉(-1)n-1第二步： 物空間繞P轉 棱鏡繞P轉 像空間繞P轉- 總結果: 物空間不動 棱鏡繞P轉 像空間首先繞P轉 (-1)n-1, 然后繞P轉 1.上述結論只涉及到棱鏡的總反射次數，而并沒有涉及棱鏡的具體形式，因此它對任意的平面鏡棱鏡系統(tǒng)都是成立的。2.證明中似乎對轉角沒有什么限制，但實際上是有限制的。 首先，如果轉角過大，光線無法進入平面鏡棱鏡系統(tǒng). 其次對棱鏡系統(tǒng)來說，除去反射平面而外，還相當于在共軸系統(tǒng)中加入了一塊平行玻璃板，當棱鏡在非平行光路中轉動，并且轉軸和入射光軸又不平行時，棱鏡轉動以后，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。一、 在平行光路中工作