火炮周视瞄准镜初步设计学校：北京理工大学学院：光电学院班级：04111302学号：1120130952姓名：吴寿龙指导老师：黄一帆李林日期：2015年9月火炮视瞄准镜初步设计一 光学系统的技术要求光学特性：视放大率: Γ=3.7×物方视场角： 2ω=10°出瞳直径： D’=4mm出瞳距离：20z l mm '≥距潜望高： H=185mm要求成正像光学系统要求实现：俯仰瞄准范围±18º水平瞄准范围360º俯仰和周视中观察位置不变渐晕系数: K ＝0.5二 设计系统的结构原理图1光路系统选择：光路系统选用开普勒望远系统。
2 光学元件选择：由于选择具有瞄准功能的开普勒望远系统，所以当前能确定的光学元件有：目镜、分划板、物镜；为保护系统，在系统最前端添加保护玻璃；又因为系统要求有一定高度的潜望高，下面将对棱镜的选择，做出具体的分析。
（1） 光路系统选择分析：火炮周视瞄准镜的用途是侦察远处敌情，将远距离目标放大，瞄准目标，为火炮精确打击提供方位信息，为实现这用途，首先要选用望远系统。
而现在最常用的望远系统有开普勒望远系统和伽利略望远系统，其系统结构原理图如下：开普勒望远系统伽利略望远系统图（1）根据两系统结构原理图，对于开普勒望远系统物镜和目镜有重合的焦平面，把分划板安放在这里可以实现瞄准功能，而伽利略望远系统没有这样的焦平面，综合实际情况，选用开普勒望远系统。
（2）棱镜系统选择：根据系统设计要求，系统要有一定的潜望高，为实现潜望高，可通过两次改变光轴90°实现，改变光轴的途径是让光发生反射，具有反射功能的光学元件有平面镜和棱镜，从仪器设计来分析，平面镜不易安装和固定，镀膜的反射镜每经过一次反射，光能损耗10%左右，并且反光膜容易脱落，故平面反射镜不符合设计的稳定性要求，与平面反射镜相比，棱镜的反射率高，容易安装和固定，为使光轴改变90°，因此选用直角棱镜与直角屋脊棱镜（（4）将会给出具体分析）。
（3）俯仰周视的光学元件选择：根据棱镜转动定理，经过的棱镜1反射次数为奇数，所成的像为镜像，为克服这点，应在系统潜望高段增加奇数次反射，从系统轻便性角度考虑，并且道威棱镜可以作为名义上的孔径光阑，所以选用道威棱镜。
根据棱镜转动定理,假设棱镜1和2一起转动,物空间坐标跟着转,物相对于棱镜主截面不动,像面将和棱镜同时转动。
当棱镜单独转动时,假设棱镜转动角速度为ω，像平面转动的角角速度的等于2ω。
设棱镜1和2同转的角速度为ω,棱镜2再转-ω/2的角速度，可补偿像的旋转。
图（2）（4）底部棱镜的选择：根据（3），顶部直角棱镜和道威棱镜的总反射次数为偶数，但光路要求经过底部棱镜，如果底部棱镜也只是直角棱镜，那么通过光路的总放射次数为奇数，系统所成的像将不会是正像和物像相似的像，而选用屋脊棱镜能使通过系统的像与物物像相似，因此，底部棱镜选用屋脊棱镜，。
（5）保护玻璃和分化板的位置确定：保护玻璃安置在顶部棱镜前10mm处；将保护玻璃倾斜45°安装，从力学角度分析可以缓冲外力对系统的冲击力，因此保护玻璃倾斜45°安装，为满足这一安装要求，保护玻璃的外形呈椭圆形。
分划板安置在物方焦平面上。
（6）系统总体结构：综合上述，棱镜从上到下，从左到右依次为：保护玻璃、顶部直角棱镜、道威棱镜、物镜、底部棱镜、分划板、目镜。
系统结构图如图（3）所示：图（3）根据棱镜转动轴定理检验物通过系统所成的像为正像，并且物像相似。
三光学系统的外形尺寸计算：拟定了系统的结构原理图,下面计算每个透镜组焦距、各个光学零件的通光口径和相互间隔。
1确定目镜的型式和焦距：由系统设计的要求物方视场角 2ω=10°、视放大率Γ=3.7×，根据角放大率的公式,可以得到目镜的视场为:tan ω’=Γtan ω=3.7*tan5°=0.3237推出ω’=17.9368° 2ω’=35.8735°。
如图（4）所示：图（4）系统要求的出瞳距离为20z l mm '≥,应选用双胶对称目镜，其结构对称，相对出瞳距离大，可满足本系统的要求,故采用该种型式的目镜。
根据对称目镜的光学特性有：20z l mm '≥，34z l f '≈'目得，26.67f mm '≥目。
系统长度要求比较大,目镜焦距可以适当取大一点。
另外出瞳距离大一些对仪器的使用只有好处,所以取目镜的焦距=30mm 。
2求物镜的焦距：取倒像系统的放大率等于-1,物镜和目镜对应的放大率就应和整个系统的放大率大小相等,符号相反,为负值。
根据公式得到，将Γ=3.7×代入得=3.7*30=107.3=111mm3求入瞳直径入射光束口径：根据轴放大率公式D=ΓD ’，把3.7⨯Γ=，=4D mm '代入得：入瞳直径14.8D mm =，物镜的相对孔径为D/=14.8/111=1/7.5。
4道威棱镜尺寸：在相同的通光口径条件下，道威棱镜的体积最大，因此道威棱镜可作为系统的名义孔径光阑。
取道威棱镜的通光口径为入瞳直径 D =14.8mm,道威棱镜的制作材料是K9玻璃，故有=44.2660 mm，其中a为道威棱镜沿光轴方向展开后的斜高度,据图（5）道威棱镜底部宽度为L=√2a=62.6016。
其相当空气层为e=k*a/n=0.8D/n=0.8*44.2660/1.5163=23.3547mm图（5）图（6）5计算渐晕系数：如图（7）所示：图（7）根据道威棱镜的展开空气层追击光线，由于道威棱镜相对空气层对通过的光束具有限制作用，根据设计要求，ω=5°，设通道威棱镜最下端ω=5°入射的最窄光束为Dω,与光轴平行的入射光束的宽度和孔径光阑的口径相等，同为14.8mm。
根据图有:D1=D+√2e=14.8+√2*23.347=47.8176mmDω=D-D1tan5°=14.8+47.8176tan5°=10.6165mm渐晕系数K=Dω/D=10.6165/14.8=0.7173mm 分别追击道威棱镜最上方和最下方的光束，可求出斜入射时的渐晕系数，由于光必须在道威棱镜底部发生一次反射，其光路图如图（8）所示：图（8）由于道威棱镜的制作材料是K9玻璃，其折射率n=1.5163，根据光的反射定律有：n=sin50°/sin i=1.5163推出i=30.345°由几何条件有：（a-atan i）/sin95°=Dω/sin40°推出Dω=11.842mm根据公式推出D=0.334a=14.785mm于是K’=Dω/D=11.842/14.785=0.8001当光束通过道威棱镜上方时，其光路图如图（9）所示：图（9）由折射定律：n=sin40°/sin i‘=1.5163,推出i‘=25.08°由几何条件：√2D/sin19.92°=(√2a-x)/sin115.08。
又有：（Dωsin105°/sin50°）/√2D=（√2a-x）/√2aD=0.334a=14.785mm推出Dω=14.0472mmK”=Dω/D=14.0472/14.785=0.9501综合上述，K、K'、K”都大于系统设计要求K=0.5，满足设计要求。
6端部直角棱镜计算：根据系统设计要求俯仰角瞄准范围为±18º，故端部直角棱镜的俯仰角度为±9º，当光束以±5º的水平角入射时分情况进行讨论。
（1）端部直角棱镜与水平方向的夹角为+9°，光束与水平方向夹角为+5°。
光路结构图如图（10）所示图（10）设端部棱镜展开后的相当空气层为e端，口径为D端，端部直角棱镜到孔径光阑的距离为d1=60m 这时孔径光阑处的孔径大小EF=Dω/2=7.4/2=3.7mm据图，由几何关系有：<HCI=81°CH=HI/sin81°=EF/sin81°=3.7461mm FH=EI=d1-HItan9°=79.4140mm由正弦定理:FH/sin<HBF=BF/sin<BFH推出 BH=FHsin5°/sin94°=6.9383mmBC=BH+CH=10.6844mmAD=BC+e端tan9°D端=AD+BC=2BC+e端tan9°由于端部棱镜的制作材料是K9玻璃，故折射率n=1.5163e端=D端/n推出 D端=23.8612mm(2)端部直角棱镜与水平方向的夹角为+9°，光束与水平方向夹角为-5°。
光路结构图如图（11）所示：图（11）根据图（11）：HI=EF=3.7mmID=HItan9°=0.5860mmDH=HI/sin81°=3.7461mmCD=e端*sin81°CG= e端*sin9°FH=EI=ID+DC+d1对 AH/sin5°=FH/sin76°D端=2(AH+DH)+CG推出 D端=28.3254mm(3)端部直角棱镜与水平方向的夹角为0°，光束与水平方向夹角为+5°。
其光路结构图如图（12）所示：图（12）据图有：（D端/2-3.7）/（e端+80）=tan5°推出 D端=24.1896mm（4)端部直角棱镜与水平方向的夹角为+9°，光束与水平方向夹角为0°。
如图（13）所示：图（13）据图：入射光束与水平方向平行，故有孔径光阑处的孔径EF=7.4mm,据几何条件有：D端=2*7.4/sin81°+e端tan9°推出: D端=16.322mm(5)端部直角棱镜与水平方向的夹角为0°，光束与水平方向夹角为0°如图（14）所示：图（14）此时： D端=14.8mm综合上述情况：D端取28.3254mm7保护玻璃的尺寸计算：根据前面设计，保护玻璃与端部棱镜的距离为10mm,根据图（15），于是可求出保护玻璃短轴轴长D‘=（28.3254/1.5163+60+18.3769+10）*2tan5°+14.8=33.5326mm由于倾斜角为45°，于是长轴轴长D’’ =√2D’=47.4222mm图（15）8确定物镜口径和道威棱镜与物镜的距离：由于系统要求的渐晕系数为K=0.5,经过前面验算，道威棱镜的渐晕系数大于系统要求的0.5，如图（16）所示：当通过道威棱棱镜最下方或最上方的光束宽度等于通过道威棱镜中心光束的一半时，渐晕系数为0.5，这样即可确定物镜口径的大小。