火炮周视瞄准镜初步设计

更新时间：2023-11-15 20:53:01 阅读量：教育文库文档下载

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火炮周视瞄准镜初步设计

一、周视瞄准镜概述：

周视瞄准镜是周视望远镜的一种。周视瞄准镜的目镜位置不动而镜头能够绕垂直轴在水平方向一定的角度范围内进行观察。

对于周视瞄准镜，常见的一般利用上直角棱镜绕垂直轴作转动时，道威棱镜绕其自身光轴按一定关系互相配合互相转动角，可实现水平周视。另外，上直角棱镜能绕水平轴俯仰，实现俯仰观察。但也有少部分采用立方棱镜绕垂直轴转动实现水平周视或者一些光学元件组合实现。

按观察范围划分，周视瞄准镜可以分为水平半周视和水平全周视。其中，观察范围小于360°的为水平半周视，达到360°的为水平全周视。

有周视性能的瞄准镜，可以扩大观察范围，同时，俯仰时目镜不动，方便观察者不用改变自己的位置和方向，观察到四周的景物。

二、技术要求：

光学特性：

视放大率：??3.7? 物方视场角：2??10? 出瞳直径：D??4mm

??20mm 出瞳距离：lZ潜望高：H=185mm 要求成正像

光学系统要实现：俯仰瞄准范围?18? 水平瞄准范围360? 俯仰和周视中观察位置不变渐晕系数：K=0.5

三、设计计算内容：

1、根据要求拟定光学系统的工作原理光学系统基本形式：望远系统

光学系统基本结构：物镜、目镜、分划板、保护玻璃。为形成潜望高，俯仰和周视，考虑如何选择棱镜。利用棱镜转动定理确定道威棱镜及转动方向。共轴系统和棱镜系统的组合孔径光阑的确定

2、光学系统的外形尺寸计算

(1)选择物镜、目镜的结构型式，计算有关特性参数；相对孔径，焦距……

(2)计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数；

(3)计算端部棱镜，保护玻璃尺寸；（考虑俯仰角度） (4)计算物镜口径；

(5)确定底部直角棱镜和分划板尺寸； (6)目镜口径计算； (7)验证出瞳距离和潜望高

3、绘制光学系统的原理图

四、设计原理：

1、望远系统的选择

火炮周视瞄准镜用于观察远处的物体，将远处的物体放大，便于观察和测量。因此火炮周视瞄准镜是一个望远光学系统。而望远光学系统有以下两种形式：

开普勒望远系统伽利略望远系统

开普勒望远系统视放大率为负值，成倒立的像，通常加入棱镜或透镜式倒像系统。但是，开普勒望远系统在物镜和目镜之间有中间实像，可以安装分划板，使像和分划板上的像进行比较，便于瞄准和测量。

伽利略望远系统视放大率为正值，成正像，不必加入倒像系统。但这种系统物镜的像放焦平面在目镜的后方，系统中无法安装分划板，不适合瞄准用。

因为应该方便测量、瞄准，所以不应采用伽利略望远系统，而应该采用开普勒望远系统，要使用正光焦度的物镜和目镜。所以物镜和目镜都是凸透镜，并加入分划板便于测量。 2、俯仰和周视的实现

为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，可以在光轴上端O1点的位置安置一个直角棱镜，使之绕水平和垂直轴转动。当棱镜绕经

过O1点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，像平面亦将随之转动。我们要求像平面不转，必须使像面产生个相反方向的转动。由于要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90°的棱镜显然不能转动。这样就必须加入一个棱镜，利用它的旋转来补偿像平面的转动，而不使光轴

的方向改变。根据前面的规则，在光轴同向的情形，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。此时可在系统中加入如下性能的

棱镜：

如果使它的主截面和直角棱镜主截面重合，顶端的直角棱镜与转像棱镜的反射次数之和为偶数。系统要求物和像反向，并且整个系统的入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜在同一主截面内的反射次数应为奇数。故可采用一个直角

棱镜，但成“镜像”。为了使物和像相似，须把上下两个棱镜中的一个反射面改为屋脊面(屋脊面不能加在转像棱镜上，因为这样会使转像棱镜的反射次数变为偶数，则棱镜转动时，像不转)。例如，将下端的直角棱镜用直角屋脊

棱镜代替。这些棱镜可以组成型式如右的棱镜系统。

当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜主截面不动，像面将和棱镜同时转动。当棱镜2单独转动时，像平面的转角等于棱镜转角的二倍。因此，棱镜1和2同时转动α，然后把棱镜2按相反方向转α/2，即可补偿像的旋转。换句话说，棱镜2的转角应为棱镜1的转角的一半。 3、棱镜系统的选择

由于系统选用开普勒望远镜，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，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。根裾棱镜转动定理，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，道威梭镜的转动角度为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，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。

五、系统外形尺寸的计算

1、选择物镜、目镜的结构型式，计算相关参数：物方视场角2??10?

tan?????tan??3.7?tan5??0.324

???17.94?，2???35.52?

?要不小于20mm，所以应该选一个长出瞳距离的目镜，因为出瞳距离lZ同时考虑到是瞄准仪器，所以选用对称目镜较为合适。

??20mm，所以f目?f目??34，而且lZ??27mm。考虑到长因为对称目镜lZ??30mm。出瞳距离对观察并无影响，所以取f目?f目? ???f物??3.7?30?111?f物mm

因为出瞳直径D’=4mm，根据τ=D/D’，

所以入瞳直径为：D=3.7×4=14.8mm。

??14.8111?0.13。所以物镜相对口径Df物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

2??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

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 ?D??D?(l1?l2)?tan5??10.76mm ?渐晕系数为KD?D?D?10.7615?71.7%

4、计算顶端棱镜尺寸：

取道威棱镜和顶端棱镜的距离为50mm，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)×tan5?

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) ×tan5?×2+15=28.59mm。

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。