火炮参考4讲解.doc

火炮周视瞄准镜初步设计一、 周视瞄准镜综述 1、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2、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3、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4、在火炮上装备周视瞄准镜能使操作员更清晰方便地观察远距离目标，并对此作出准确的分析和瞄准，必要时给予目标精确的打击二、 光学系统的技术要求光学特性：视放大率：                     物方视场角：                      出瞳直径：                         出瞳距离：                       潜望高：                          要求成正像 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° 俯仰和周视中观察位置不变 渐晕系数K=0.5. 三、根据要求拟定光学系统的工作原理 1、 光学系统的基本形式：望远系统； 光学系统的基本结构：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、设计原理（1）望远系统分析：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 由于系统是对远距离目标进行观察，具有视角放大率，因此必然是开普勒望远镜，要使用正光焦度的目镜和正透镜作为物镜2）棱镜系统分析：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，而棱镜则具有易安装固定，反射效率高的特点，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3）俯仰周视分析：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，在考虑到系统的轻便性，故选择道威棱镜此时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，又系统要求成正像，且在望远系统中成倒像，故棱镜系统需成完全的倒像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  注：棱镜转动定理见附录A4）保护玻璃、分划板：保护玻璃可放置在距顶端棱镜10mm处，考虑到其应用环境，可将保护玻璃斜置，此时保护玻璃为椭圆形在相同通光口径下圆形面积最小，故其余除棱镜外均选用圆形分划板应放在物镜的物方焦点处5）总体布局：由上到下，由左至右依次为保护玻璃、顶端棱镜、道威棱镜、物镜、低端棱镜、分划板、目镜总体布局如下：经验算该系统成正像3、需要计算的外形尺寸有：（1）选择物镜目镜的结构形式，计算有关特性参数：相对孔径、焦距、直径…（2）计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数；（3）计算顶部棱镜，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。

四、系统外形尺寸计算：1、选择物镜、目镜结构型式，计算相关参数物方视场角 ∵ ∴ 因为出瞳距离要不小于，所以应选择出瞳距离较长的目镜，又考虑到其为军用瞄准仪器，所以选择对称目镜因为对称目镜的相对出瞳距离，且>=，所以目镜的焦距 长出瞳距离的观察并无影响，且目镜焦距较长，则物镜焦距较长，分划板上不同刻度之间距离也较大，较易于分辨，故采用=的目镜因为出瞳直径，所以入瞳直径所以物镜相对孔径.根据焦距和相对孔径选择双胶物镜合适，且物方视场角也满足双胶物镜的视场要求2、道威棱镜尺寸：（1）因为在相同的通光口径下道威棱镜在系统中体积最大，且当斜光束通过时，它的口径比轴向光束的口径加大较少，考虑到系统的总体积、质量不可过大，所以选择道威棱镜的中间作为系统的名义孔径光阑取道威棱镜的的通光口径为道威棱镜采用K9玻璃，所以根据，得，为道威棱镜展开成玻璃板后沿 光轴方向的斜高度其相当空气层厚度为则道威棱镜主截面最长边的长度为D E（2）渐晕系数：方法一：如图所示 ， . 渐晕系数(由对称性知当或时渐晕系数相同) 方法二：如图所示当时，b 当时， 选取计算，则有3、计算顶端棱镜尺寸：取道威棱镜和顶端棱镜的距离为。

同时顶端棱镜为K9玻璃制成，同理可得相关空气层厚度为由图可得4、保护玻璃尺寸：保护玻璃与顶端棱镜距离为，保护玻璃短轴口径为因其倾斜，故长轴口径为= .5、计算物镜口径：取道威棱镜与物镜的距离为，经计算道威棱镜的渐晕系数大于0.5所以道威棱镜的渐晕系数按0.5计算由上面可知，道威棱镜渐晕系数为0.717，当时，离开道威棱镜最上面的光线与孔径光阑的交点距光轴的垂直距离，取渐晕系数为0.5，所以最下端光线的位置如图所示，其与孔径光阑的交点与光轴垂直距离为，所以由对称性可得物镜的口径 当平行光入射时口径为，所以物镜口径选为6、计算目镜口径：当光束以的夹角入射时，光束正好分别从物镜的上下半区射入所以通过物镜的最上或最下方的光束如图示，光束通过物镜的节点，所以方向不发生改变只要考虑到此光线可穿过目镜即可保证其他入射光线能够穿过目镜所以如下图示： 7、计算底端棱镜尺寸：底端棱镜也是由K9玻璃制成，所以相当空气层厚度为，由图得关系式8、分划板的尺寸及刻度：（1）尺寸：（2）刻度：由得距离远，高两米的物体在分划板上刻度高，距离远，高两米的物体在分划板上刻度高，距离远，高两米的物体在分划板上刻度高，距离远，高两米的物体在分划板上刻度高，距离远，高两米的物体在分划板上刻度高为9、验证出瞳距离和潜望高;（1）出瞳距离：出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像，故应当追踪过名义孔径光阑中心的光线，如图所示： （2） 验证潜望高 ： 10、各光学零件主要尺寸总结：1、保护玻璃： 2、顶端棱镜： 3；道威棱镜：；4、物镜： ；5、底端棱镜： 6、分划板： ；7、目镜： 五、系统总体设计图：附录A棱镜转动定理：“假设物空间不动，棱镜绕P转 ，则像空间首先绕P′转(-1)n-1, 然后绕P转”。

 为表示棱镜转动方向和位置的单位向量 为像空间的共轭像,也是一个单位向量 为棱镜的转角符号规则：当对着转轴向量观察时，逆时针为正，顺时针为负n为棱镜的总反射次数假设物空间不动，棱镜绕P转，则像空间首先绕P′转 (-1)n-1,然后绕P转” 把像空间的转动情况，用先后绕P′和P的两次转动来表示 有限转动不符合加法交换律，两次转动的顺序不能颠倒 引入一个代表有限转动的特定符号［］括号内代表转角，它的符号规则如前所述单位向量P代表转轴的位置和方向 ［］只是一个表示有限转动的符号，而不能看作是一个向量棱镜转动定理可以用上述符号表示如下： ［A′］=［P’］+［P］ 符号［A′］只是作为像空间转动状态的一个代号，没有别的含意 ［P］和［P′］不是向量，不能按向量运算规则进行向量运算根据符号的定义，以下两种关系显然成立： ［P］+［P］=［(+)P］ ［（-P）］=［-P］ 第一个等式说明，先绕P转后，再绕P转，就等于绕P转(+) 第二个等式则说明，绕(-P)转就等于绕P转-。

一. 在平行光路中工作的棱镜绕垂直于棱镜主截面的z轴转动 平行光路中，只需要考虑像空间的方向，而不用考虑其位置 ,P和P′都看作自由向量根据转动定理 ［A′］=［P′］+［P］ 在没有屋脊面的情形，有 P=z, P′=z′=z，得： ［A′］=［z］+［z］在有屋脊棱镜的情形，P=z, P′=z′=-z，得 ： ［A′］=［P′］+［P］=［z］+[z］ 当总反射次数n为偶数时［A′］=[z］+［z］=［2z］  当总反射次数n为奇数时［A′］=［-z］+［z］= 0ABC z 在有屋脊棱镜的情形，当棱镜绕z轴转θ时，如果反射次数为奇数，则像空间方向不变，如果反射次数为偶数，则像空间绕z轴转2θ y z x 。