應(yīng)用光學(xué)實(shí)踐報(bào)告

1、火炮周視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)學(xué)校：北京理工大學(xué) 學(xué)院：光電學(xué)院 班級(jí)：04111302 學(xué)號(hào)：1120130952 姓名：吳壽龍 指導(dǎo)老師：黃一帆 李林 日期：2015年9月火炮視瞄準(zhǔn)鏡初步設(shè)計(jì)一 光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)要求光學(xué)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(xué)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)：俯仰瞄準(zhǔn)范圍±18º 水平瞄準(zhǔn)范圍360º俯仰和周視中觀察位置不變漸暈系數(shù): K0.5 二 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖1 光路系統(tǒng)選擇：光路系統(tǒng)選用開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)。2 光學(xué)元件選擇：由于選擇具有瞄準(zhǔn)功

2、能的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，所以當(dāng)前能確定的光學(xué)元件有：目鏡、分劃板、物鏡；為保護(hù)系統(tǒng)，在系統(tǒng)最前端添加保護(hù)玻璃；又因?yàn)橄到y(tǒng)要求有一定高度的潛望高，下面將對(duì)棱鏡的選擇，做出具體的分析。（1） 光路系統(tǒng)選擇分析： 火炮周視瞄準(zhǔn)鏡的用途是偵察遠(yuǎn)處敵情，將遠(yuǎn)距離目標(biāo)放大，瞄準(zhǔn)目標(biāo)，為火炮精確打擊提供方位信息，為實(shí)現(xiàn)這用途，首先要選用望遠(yuǎn)系統(tǒng)。而現(xiàn)在最常用的望遠(yuǎn)系統(tǒng)有開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)和伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如下： 開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng) 伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng) 圖（1）根據(jù)兩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，對(duì)于開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡和目鏡有重合的焦平面，把分劃板安放在這里可以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)功能，而伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)沒有這樣的焦平面，綜合實(shí)際情況，

3、選用開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)。（2） 棱鏡系統(tǒng)選擇：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)要有一定的潛望高，為實(shí)現(xiàn)潛望高，可通過兩次改變光軸90°實(shí)現(xiàn)，改變光軸的途徑是讓光發(fā)生反射，具有反射功能的光學(xué)元件有平面鏡和棱鏡，從儀器設(shè)計(jì)來分析，平面鏡不易安裝和固定，鍍膜的反射鏡每經(jīng)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(shè)計(jì)的穩(wěn)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(huì)給出具體分析）。（3） 俯仰周視的光學(xué)元件選擇：根據(jù)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理，經(jīng)過的棱鏡1反射次數(shù)為奇數(shù)，所成的像為鏡像，為克服這點(diǎn)，應(yīng)在系統(tǒng)潛

4、望高段增加奇數(shù)次反射，從系統(tǒng)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(jù)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理,假設(shè)棱鏡1和2一起轉(zhuǎn)動(dòng),物空間坐標(biāo)跟著轉(zhuǎn),物相對(duì)于棱鏡主截面不動(dòng),像面將和棱鏡同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)棱鏡單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),假設(shè)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為，像平面轉(zhuǎn)動(dòng)的角角速度的等于2。設(shè)棱鏡1和2同轉(zhuǎn)的角速度為,棱鏡2再轉(zhuǎn)-/2的角速度，可補(bǔ)償像的旋轉(zhuǎn)。 圖（2）（4） 底部棱鏡的選擇：根據(jù)（3），頂部直角棱鏡和道威棱鏡的總反射次數(shù)為偶數(shù)，但光路要求經(jīng)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(shù)為奇數(shù)，系統(tǒng)所成的像將不會(huì)是正像和物像相似的像，而選用屋脊棱鏡能使通過系統(tǒng)的像與物物像相似

5、，因此，底部棱鏡選用屋脊棱鏡，。（5） 保護(hù)玻璃和分化板的位置確定：保護(hù)玻璃安置在頂部棱鏡前10mm處；將保護(hù)玻璃傾斜45°安裝，從力學(xué)角度分析可以緩沖外力對(duì)系統(tǒng)的沖擊力，因此保護(hù)玻璃傾斜45°安裝，為滿足這一安裝要求，保護(hù)玻璃的外形呈橢圓形。分劃板安置在物方焦平面上。（6） 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：綜合上述，棱鏡從上到下，從左到右依次為：保護(hù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖（3）所示： 圖（3）根據(jù)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸定理檢驗(yàn)物通過系統(tǒng)所成的像為正像，并且物像相似。三 光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算：擬定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖,下面計(jì)算每個(gè)透鏡組焦距、各個(gè)光學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)的要求物方視場角 2=10°、視放大率=3.7×，根據(jù)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(tǒng)要求的出瞳距離為,應(yīng)選用雙膠對(duì)稱目鏡，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，相對(duì)出瞳距離大，可滿足本系統(tǒng)的要求,故采用該種型式的目鏡。根據(jù)對(duì)稱目鏡的光學(xué)特性有：，得，。系統(tǒng)長度要求比較大,目鏡焦距可以適當(dāng)取大一點(diǎn)。另外出瞳距離大一些對(duì)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(tǒng)的放大率等于-1,物鏡和目鏡對(duì)應(yīng)的放大率就應(yīng)和整個(gè)系統(tǒng)的放大率大小相等,符號(hào)相反,為負(fù)值。根據(jù)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(jù)軸放大率公式D=D ，把，代入得：入瞳直徑，物鏡的相對(duì)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(tǒng)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(jù)圖（5）道威棱鏡底部寬度為L=2a=62.

8、6016。其相當(dāng)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(jì)算漸暈系數(shù)：如圖（7）所示： 圖（7）根據(jù)道威棱鏡的展開空氣層追擊光線，由于道威棱鏡相對(duì)空氣層對(duì)通過的光束具有限制作用，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，=5°，設(shè)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(jù)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(shù)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(shí)的漸暈系數(shù)，由于光必須在道威棱鏡底部發(fā)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(jù)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(jù)公式推出D=0.334a=14.785mm 于是K=D/D=11.842/14.785=0.8001當(dāng)光束通過道威棱鏡上方時(shí)，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(tǒng)設(shè)計(jì)要求K=0.5，滿足設(shè)計(jì)要求。6端部直角棱鏡計(jì)算：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求俯仰角瞄準(zhǔn)范圍為±18º，故端部直角棱鏡的俯仰角度為

11、7;9º，當(dāng)光束以±5º的水平角入射時(shí)分情況進(jìn)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(jié)構(gòu)圖如圖（10）所示 圖（10） 設(shè)端部棱鏡展開后的相當(dāng)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(shí)孔徑光闌處的孔徑大小EF=D/2=7.4/2=3.7mm據(jù)圖，由幾何關(guān)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(jié)構(gòu)圖如圖（11）所示： 圖（11）根據(jù)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(duì) 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(jié)構(gòu)圖如圖（12）所示： 圖（12）據(jù)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(jù)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(jù)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(shí)： D端=14.8mm 綜合上述情況：D端 取28.3254mm7保護(hù)玻璃的尺寸計(jì)算：根據(jù)前面設(shè)計(jì)，保護(hù)玻璃與端部棱鏡的距離為10mm,根據(jù)圖（15），于是可求出保護(hù)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(tǒng)要求的漸暈系數(shù)為K=0.5,經(jīng)過前面驗(yàn)算，道威棱鏡的漸暈系數(shù)大于系統(tǒng)要求的0.5， 如圖（16）所示：當(dāng)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(shí)，漸暈系數(shù)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(jù)設(shè)計(jì)要求，物方視場角：2=10°，在極限條

16、件，即光束正好±5°入射時(shí)，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(nèi)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(jù)查表得：k=1.732,故其相當(dāng)空氣層e =1.732D/1.5163 。設(shè)底部直角屋脊棱鏡的口徑為D底，其相當(dāng)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(jù)圖有： （L3+Ea底）tan5°=（D底-D物）/2又因?yàn)槲菁估忡R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(lián)立方程推出D底=23.2260mm L3=21.6227mm 11確定分劃板的參數(shù)：(1) 確定口徑：D=2*111*tan5°=19.4225mm(2) 確定瞄準(zhǔn)刻度：根據(jù)公式 圖（20）如圖所示：設(shè)物高為y=2m，距離為:當(dāng)=50m, =-111*(-2/50)=4.44mm

18、當(dāng)=100m,=-111 *(-2/100)=2.22mm當(dāng)=200m ,=-111*(-2/200)=1.11mm當(dāng)=500m,=-111*(-2/500)=0.444mm當(dāng)=1000m,=-111*(-2/1000)=0.222mm12出瞳距離驗(yàn)算: 光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像稱為系統(tǒng)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(jù)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(shè)計(jì)符合要求13 驗(yàn)證潛