火炮周视瞄准镜设计论文.doc

火炮周视瞄准镜设计目录一、火炮周视瞄准镜综述二、光学系统的技术要求三、光学系统的工作原理3.1＞光学系统的基本形式3・2、潜望高的形成3・3、倒像和俯仰、周视的实现3・4、孔径光阑的实现3・5、光学系统的基本结构四、光学系统的外形尺寸计算4.1目镜和物镜的结构型式，焦距4.2道威棱镜尺寸设计并计算渐晕系数（1） 棱镜通光口径确定与初步分析…（2） 道威棱镜尺寸设计 （3）利用相当空气层求渐晕系数…—111113—1443顶部直角棱镜和保护玻璃的尺寸4.4物镜口径计算174.5底部直角棱镜和分划板尺寸184.6验证出瞳距离194.7目镜口径计算20五、各光学零件主要尺寸总结20六、光学系统原理图21七、参考文献22八、附录22一、火炮周视瞄准镜综述火炮周视瞄准镜在战争中发挥着举足轻重的作用，不但因为其使 火炮的杀伤力增大，更重要的是大幅提升瞄准射击精度本文就根据 已有的望远镜基本原理来对初步设计一种功能齐全的周视瞄准镜周视瞄准镜是一种比较特殊的潜望式瞄准镜，观察者可以通过它 来观察周围环境，而不用直视被观察的物体在该种周视瞄准镜的前 面有一个道威棱镜，转动道威棱镜和顶部棱镜时，保持冃镜不动，射 击手可以在不改变自己位置的前提下选择不同方位的瞄准点，从而避 免了射击手为观察不同方位而不停转动头部引起的头晕恶心。

同时, 周视瞄准镜也是…种光学测角器，可以供火炮进行水平方向瞄准，它 一般用于对远距离目标（大约5公里以上）的瞄准火炮攻击周视瞄 准镜的冃镜位置不动而镜头能够绕垂直轴和水平轴在水平方向和垂 直方向一定的角度范围内进行观察，观察者不用动就可以明了周围的 环境地形和人流物流的动向，极大地方便了侦查任务，再配上威力十 足的火炮攻击系统和精准瞄准功能周视瞄准镜大量用于军事装备 在周视瞄准镜上再增加稳像系统可组成火控瞄准系统，用于炮弹的瞄 准发射火炮周视瞄准镜是军队中配备最多种火炮的一种瞄准镜，它 可用于加农炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮等周视瞄准镜基本原理是利用顶端直角棱镜绕垂直轴作传动时，道 威棱镜绕其自身光轴按一定关系互相配合转动，实现水平周视功能; 顶端直角棱镜绕水平轴俯仰转动，实现俯仰观察功能按观察范围划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的为水平全周视由于周视瞄准镜采用开普勒式的望远镜，在物镜和冃镜之间形成 实像，因此可以通过安装分划板，将像与分划板上的刻线进行比较, 更加方便地瞄准和测量，给军用带来极大的方便另外在军用周视瞄 准镜中，出瞳距离比较大，便于观察者佩戴防毒面具。

为防止射击吋 撞击头部，有的瞄准镜出瞳距离达到七八十毫米，还要备用软硬适度 的眼罩和护额以保证射击手的人身安全二、光学系统的技术要求光学特性的主要参数:r-3.7x2co=\0D = 4mmI： > 20mmH = 185mm1、 视放大率 物方视场角 出瞳直径 出瞳距离2、 潜望高3、 要求成正像4、 光学系统耍求实现俯仰瞄准范圉18光学系统要求实现水平瞄准范围3605、 俯仰和周视中观察位置不变6、 渐晕系数K二0.5.三、光学系统的工作原理3.1＞光学系统的基本形式火炮周视瞄准镜是炮手用于观察远处目标的因此，它必须是一 个望远系统望远系统的特点是可以扩大视角，扩大人眼对远距离冃 标观察的能力；同时物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，可以将 无限远目标成像在无限远，使在使用仪器观察时人眼不至于疲劳而对于军事用途来说，炮手不仅仅需要看清远处冃标，更需要的 是知道远处目标的方位参数所以，望远系统中应该加入一个分划板, 使物像成在分划板上这个物像毫无疑问应该是一个实像而在两种望远系统：开普勒望远系统和伽利略望远系统中，只有 开普勒望远系统可以增加分划板开普勒望远系统兀＞,视放大率「＜(),成倒立的像。

在物镜和 目镜之间有中间实像，可以安装分划板，使像和分划板上的刻线进彳亍 比较，便于瞄准和测量，特别适合军用图1:开普勒式望远系统系统物镜的像方焦平面在目镜的后方，系统中无法安装分划板，不适 合军用图2：伽利略式望远系统因此光学系统应该采用开普勒望远系统并且在物镜的后焦而上 增加分划板然而，开普勒望远系统成倒像，在整个系统中应注意加 入倒像系统，把像重新倒过来3.2、潜望高的形成由于火炮周视瞄准镜要求有一定的潜望高度，所以可以采用两个 使光轴方向改变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，而棱镜易于I古I定且 不易造成光能的损失，所以采用两个使光轴改变90的棱镜形成潜望 高为了使整个系统形状规整，质量轻且便携，两个棱镜都选用直角棱镜因此，系统将采用两块直角棱镜3.3、倒像和俯仰、周视的实现为了在水平面和垂直面改变光轴的方向，可以 将顶部直角棱镜绕水平和垂直轴转动当顶部棱 镜绕经过Q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轴转动图3倒像和俯仰周式的实现 吋，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，从而不使光轴的方向 改变根据棱镜转动定理，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，道威棱镜 的转动角度应为顶部直角棱镜转动角度的一半，且两者的转动方向相 反这样就可以补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变目前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 如果物镜放置在屋脊棱镜之后，望远系统的下部很可能会比较长，不 容易携带和存储把物镜放置在屋脊棱镜和道威棱镜之间可以充分利 用望远系统中的空间3.4、孔径光阑的实现如果把孔径光阑放置在光学系统的入口或者末端，则相应的另一 侧的口径就会太过巨大，导致整个望远系统的规模失调，难以制造和 携带为了使系统中各个光学零件的尺寸比较均匀，应该把孔径光阑 选在前面四个光学元件上综合考虑觉得应该选在道威棱镜上比较合 适，因为它位于前面四个光学零件的中间位置，其他光学零件和它比 较靠近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的口径加大较少。

如果取道威棱镜的通光口径等于轴向光束的口径，则道威棱镜就起着孔径光阑的作用图4光线在光学系统中3.5、光学系统的基本结构光学系统应该大致由物镜、目镜、分划板、保护玻璃、两块直角 棱镜（其中一块是屋脊棱镜）和道威棱镜组成为了保护棱镜系统和共轴球面系统，在镜头处要安装保护镜，可 以用保护玻璃来作为保护镜使用分化板上刻线后可以进行测量和 读数；物镜和冃镜应该选择正焦透镜,并且保证像差小，分辨率高; 道威棱镜用于帮助实现望远系统转动时观察者的像而保持稳定；直角 棱镜用于改变光路使得望远系统形成潜望高，一个屋脊棱镜用于纠正 开普勒望远系统产生的倒像四、光学系统的外形尺寸计算4.1目镜和物镜的结构型式，焦距（1）＞目镜的设计目镜的光学特性包括：1） 相对孔径小，一般小于h 5；2） 视场角大，这是其显著特点，通常的目镜都在40左右，广角目镜在60左右；3） 焦距较短，一般在15-30 mm左右；4） 入瞳和出瞳远离透镜组，这就意味着轴外光束在透镜组上的 投射高很大，目镜尺寸会增加目镜的视场为tgco1 = r xtge根据系统光学特性的要求：将r = 3.7 X,物方视场角2血= 10代入上式，得目镜的视 场角为tg69* == r x = 3.7 x tg5 = 0.3240 = 17.94。

2^* = 35.88因为出瞠距离4要不小于20mm,所以应该选一个长出瞳距离 的目镜，同时考虑到是瞄准仪器，所以选用对称目镜较为合适对称 目镜结构简单，加工方便，相对出瞳距离较大，在军用仪器中广泛使 用对称冃镜由两个双胶合透镜构成，光学特性为：訂镜视场角为20=65—72/； 3—r Q —相对出瞳距禺为力［4由相对出瞳距离和系统所要求的出瞳距离―，即可求的其大致的 焦距I > 20mmlz = x /J] 20mm， 2/i（ = 26 —mm = Timm由对称目镜的光学特性可知这种形式的目镜符合我们的设计耍由于系统长度要求比较大，目镜焦距可以适当取大一些，同时在 进行目镜的像差设计时，较小的相对出瞳距离有利于校正像差，从而 能够获得较好的成像质量，另外出瞳距离大一些对仪器的使用只有好 处并无害处，所以我取目镜的焦距：/0=3mm（2）、物镜的设计物镜的光学特性为：1） 相对孔径小，i般小于5；2） 视场较小，通常望远镜的视场都不大于10我们令倒像系统的放大率等于-1,所以物镜和目镜分别的放大率 的乘积就应和整个系统的放大率大小相等，符号相反将「= —3.7x,於30mm代入公式得：h =111mm（3）入瞳直径（入射光束口径）和相对孔径据公式：D其中D =4mm「= 3・7得入瞳直径为：D = 3.7x4 = 14.8mm物镜相对口径:D 14.8= 0.133根据物镜焦距和相对孔径的耍求，可以采用双胶合透镜组作为系 统的物镜，系统的视场为空3 = 10 ,双胶合物镜的允许视场为8-10, 也能满足要求。

4.2道威棱镜尺寸设计并计算渐晕系数（1）棱镜通光口径确定与初步分析在倒像系统中，考虑到系统允许有适当的渐晕，因此，我们取道威棱 镜与直角屋脊棱镜的通光口径都等于轴向光束的口径即 D = 3.7 x 4 = 14.8mm如果将棱镜展开成平行玻璃板,则周视瞄准镜的轴向光路图如下图5：图5：轴向光束在光学系统中由图5可以看出，轴向光束在保护玻璃，直角棱镜，道威棱镜以及望 远物镜的口径均是14.8mm,在其它光学零件上的口径就会大大的减 小为了确定系统中的其他光学零件的尺寸，必须确定入瞳或孔径光 阑的位置我这样选取的理由是为了保证系统中各个零件的尺寸能够 比较均匀，又因为道威棱镜位于中间位置，与其它光学零件比较接近, 所以当斜光束通过时其他光学零件的口径加大较小，这在之前的内容 中己经有过叙述孔径光阑在道威棱镜上，但道威棱镜有一定的长度，和光轴成一 定夹角的斜光束被棱镜的两端所切割，存在渐晕，斜光束小于轴向光 束的口径图6：斜光束时光路图斜光束的中心光线，称为“主光线”，主光线和光轴交点CT决定了像空间出射光束的位置，称为“出瞳位置”系统的出瞳距离就等于出射主光线和光轴的交点到最后一面的距离，当系统没有渐晕吋, 主光线显然通过孔径光阑的中心，因此出射主光线和光轴的交点就是 孔径光阑在像空间的共轨像的位置，也就是出瞳的位置。