、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, 周视瞄准镜能够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, 能够扩大观察范围, 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: 3.7Γ=⨯ 物方视场角: 210ω=︒ 出瞳直径: '4D mm = 出瞳距离: '20z l mm = 潜望高: 185H mm = 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=.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, 因此能够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, 因此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, 因此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, 能够在光o点的位置安置一个直角棱镜, 使之绕水平和垂直轴转动。

当棱镜绕经过轴上端11o 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1o 2o 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, 因此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A 。

( 4) 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45 , 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 210ω=︒∵'tan 3.7tan50.324ω=⨯︒= ∴'17.94ω= 235.52ω=︒因为出瞳距离'z l 要不小于20mm , 因此应选择出瞳距离较长的目镜, 又考虑到其为军用瞄准仪器, 因此选择对称目镜。

因为对称目镜的相对出瞳距离''3/4z e l f =, 且'z l >=20mm , 因此目镜的焦距 '27e f mm ≥。

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'e f =30mm 的目镜。

;此时有'' 3.7111o e f f mm =⨯=。

因为出瞳直径'4D mm =, 因此入瞳直径4 3.714.8D mm =⨯=。

因此物镜相对孔径'/14.8/1110.13o D f ==.根据焦距和相对孔径选择双胶物镜合适, 且物方视场角210ω=︒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, 且当斜光束经过时, 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, 因此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D 14.8mm =。

道威棱镜采用K9玻璃, 因此根据0.334D a =, 得14.8/0.33444.31a mm ==, a 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E 44.310.8/1.516323.38mm =⨯=。

则道威棱镜主截面最长边的长度为2d 44.311.41462.66mm =⨯=。

，E( 2) 渐晕系数:（方法一: 如图所示1e E 1.41423.381.41433.06mm =⨯=⨯=,2e 14.8mm =∴ 12e e 47.86mm +=.12D D e e tan514.847.86 tan510.61mm ω=-+⨯︒=-⨯︒=（）∴ 渐晕系数K D /D 10.61/14.871.7%ω=== (由对称性知当5ω=︒或5ω=-︒时渐晕系数相同)￥5ω=︒方法二: 如图所示当5ω=︒时,:1arctg sin45/1.516327.8arctg sin40/1.516325.08 a a tan27.8tan25.08sin50 2.01mm αβ=︒=︒=︒=︒=⨯︒-︒⨯︒=（）；（）；（）；b&当5ω=-︒时,2arctg sin45/1.516327.8arctg sin50/1.516330.35a a tan30.35tan27.8sin401.66mm ?αβ=︒=︒=︒=︒=⨯︒-︒⨯︒=（）；（）；（）；?选取2a 计算, 则有1K 14.8a /14.80.875.=-=（） 3、 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, 同理可得相关空气层厚度为E D/1.51630.66D ==。

由图可得D 14.8/20.66D 50tan5D 26.62mm -=+⨯︒=（）（）从而可得顶端棱镜尺寸为。

&4、 保护玻璃尺寸:保护玻璃与顶端棱镜距离为10mm , 保护玻璃短轴口径为D'0.6620.695010 tan5214.828.372mm =⨯++⨯︒⨯+=（）。

因其倾斜45︒, '= 40.12mm .5、 计算物镜口径:取道威棱镜与物镜的距离为20mm , 经计算道威棱镜的渐晕系数大于因此道威棱镜的渐晕系数按计算。

~由上面可知, 道威棱镜渐晕系数为, 当5ω=︒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14.80.7177.4 3.21h mm =⨯-=, 取渐晕系数为, 因此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'(3.217.4) 4.19h mm =--=-, 因此[]''20tan5' 5.94h h mm =⨯︒+=。

由对称性可得物镜的口径11.88D mm =。

当平行光入射时口径为14.811.88D mm mm =>, 因此物镜口径选为14.8D mm =。

6、 计算目镜口径:）当光束以5±︒的夹角入射时, 光束正好分别从物镜的上下半区射入。

因此经过物镜的最上或最下方的光束如图示, 光束经过物镜的节点, 因此方向不发生改变。

只要考虑到此光线可穿过目镜即可保证其它入射光线能够穿过目镜。

因此如下图示:e =2'+'tan5211130tan524.67mm o Df f ⨯⨯︒=⨯+⨯︒=目（）（）。

7、 计算底端棱镜尺寸:底端棱镜也是由K9玻璃制成, 因此相当空气层厚度为E 1.732D /1.51631.14D ==,4d 18562.66502026.62/239.03mmarctg[111tan514.8/2/111]1.19α=----==⨯︒-=︒（）(∴由图得关系式4d /2+1.14D D /214.8/2/tan α=-（）D 16.61mm L 1.732D 28.77mm ∴===，。

8、 分划板的尺寸及刻度:、( 1) 尺寸: D 111 tan5 219.42mm =⨯︒⨯= ( 2) 刻度: 由''tan y f ω=-得距离50m 远, 高两米的物体在分划板上刻度高4.44mm , 距离100m 远, 高两米的物体在分划板上刻度高2.22mm , 距离200m 远, 高两米的物体在分划板上刻度高1.11mm ,距离500m远, 高两米的物体在分划板上刻度高0.44mm,距离1000m远, 高两米的物体在分划板上刻度高为0.22mm.9、验证出瞳距离和潜望高;；( 1) 出瞳距离'l: 出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像, 故应当追踪过名z义孔径光阑中心的光线, 如图所示:！h 111tg59.71mm?=⨯︒= ()()arctg h /30arctg 9.71/3017.93?α===︒'20tan5 1.75h mm =⨯︒=()arctg 19.42/2 1.75/111β=-''(11130)tan 20tan511.83h mm β=+⨯+⨯︒='''/tan 11.83/tan17.9336.5120z l h mm mm α==︒=≥( 2) 验证潜望高 :()1234H d d d d 5026.62/262.662039.03185mm?=+++=++++=10、 各光学零件主要尺寸总结:，1、 保护玻璃: D 28.372mm,D 40.12;s l mm ==2、 顶端棱镜: D 26.62mm =；3; 道威棱镜: 2D 14.8mm d 62.66mm KD 0.717===，，; 4、 物镜: 3D 14.8mm d 20mm ==，; 5、 底端棱镜: D 16.61,28.77;mm L mm ==6、 分划板: D 19.42mm =;7、 目镜: D 24.67mm =。