应用光学课程设计-张一鸣

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1、应用光学课程设计火炮周视瞄准镜设计学院：光电学院班级：04011609姓名：张一鸣学号：1120161069日期：2017 年 9 月 10 日目录1、火炮周视瞄准镜概述12、光学系统的技术要求11.1 光学系统特性的主要参数11.2 主要参数的大致说明23、光学系统的设计计算内容24、光学系统的参数总结115、光学系统的原理示意图126、工程伦理与职业道德127、环境与可持续性138、技术与社会139、法律与法规1310、个人与团体1411、参考文献1412、附录14棱镜转动定理1411 1、火炮周视瞄准镜概述火炮周视瞄准镜概述火炮周视瞄准镜作为一种广泛应用于军事领域的、起着重要作战作用的军

2、 用瞄准镜，可以配备于多种作战炮类武器，比如加农炮、加榴炮、火箭炮、榴 弹炮等等。它可以用于车内观察，也可以标定方向，它与高低脚装定装置一起 构成独立线式火炮瞄准具。火炮周视瞄准镜，顾名思义，具有周视性能，从而 可以达到扩大观察范围，全方位观察周围情况的目的。并且由于其自身设计的 原因，我方炮兵不用改变自己的位置和方向，就可以观察到四周，并且可以精 确的指示目标和瞄准射击。因此，周视瞄准镜是一种使用的军用光学仪器。2 2、光学系统的技术要求光学系统的技术要求2.1 光学系统特性的主要参数：视放大率： 7 . 3物方视场角： 102出瞳直径： mmD4出瞳距离： mmlz20潜望高： mmH18

3、5要求成正像： 光学系统要求实现：俯仰瞄准范围18水平瞄准范围3602俯仰和周视中观察位置不变渐晕系数： 5 . 0K2.2 主要参数的大致说明：1、视放大率 3.7 是角放大率，光学系统具有扩大视角的作用，同时必须保证一 定的分辨角，满足仪器的精度要求。2、视场角，代表望远系统能够同时观察到的最大范围。103、出瞳直径 4mm，应不小于人眼的瞳孔的直径（白天约 2mm，黄昏约 45mm， 夜间可达到 8mm），从主观光亮度的要求出发，大部分军用观察瞄准仪器都要 求能够在白天喝黄昏同时使用，因此取 4mm。4、出瞳距离应不小于 20mm，尤其是对于军用光学仪器，防止武器后坐力的撞 击而对我方士

4、兵造成伤害。5、潜望高 185mm，为了使我方士兵不被敌方士兵发现，我们可以取潜望高为 185mm，这是由炮塔的结构所决定的。6、俯仰瞄准范围，水平瞄准范围，该参数的选取是为配合仪器的制18360 作和使用要求。7、渐晕系数 0.5，指边缘光束的宽度为中心光束宽度的一半。对于本系统，整 个视场内都存在渐晕。下面我们将按照以上要求进行光学设计。3 3、光学系统的设计计算内容光学系统的设计计算内容3.1 周视瞄准镜综述3.1.1 基本工作原理简述：周视瞄准镜的工作原理是以开普勒望远镜的工作原理为基础的。基本原件 是两片正透镜（分别为物镜和目镜），要求物镜的像方焦平面与目镜的物方焦 平面重合，并且达

5、到物镜焦距在数值上大于目镜焦距。这样可以达到将无限远 目标成像在无限远处的目的，让外界物体，以平行光进入人眼，并且能够扩大 视角。在光路中加入平面镜棱镜系统，从而使主光轴可以弯折，从而实现我方 士兵的隐蔽观察，最后通过倒像功能实现使所需观察物体最终成正像。3.1.2 用途我方士兵利用周视瞄准镜，可以全方位地观察到周围的情况，实现周视。3并且，当需要俯仰观察时，可以保持目镜不动，方便我方士兵不改变自己的位 置和方向就观察到四周的情况，有利于我方士兵的隐蔽，因此利用周视瞄准镜 可以方便火炮操作人员的观察和瞄准。此外周视瞄准镜结构相对简单，质量相 对轻便，可以方便大规模生产和装备，对提高我国军队火炮

6、战斗部队战斗能力 由很大帮助。3.1.3 种类瞄准镜主要可以分为以下三大类：望远式瞄准镜、准直式瞄准镜、反射式 瞄准镜。3.2 拟定系统的原理方案3.2.1 光学系统的基本形式：应该选择开普勒望远系统。根据应用光学，望远系统有两种，分别为开普勒望远镜和伽利略望远 镜，如下图所示：系统的设计有以下几个要求。要求能够对远距离目标进行观察，并且具有 较大的视放大率，还需要分划板来进行军用上的来瞄准和测距。而恰恰开普勒 望远镜满足这几个要求。通过开普勒望远镜，能够实现一定的视放大率，并且能够将无限远的物体 成倒像在无限远处。3.2.2 光学系统基本结构：光学系统的基本结构为目镜、物镜、分划板、保护玻璃

7、。保护玻璃通过对系统密封从而起到保护作用，分划板上经过适当计算与调 整刻线后可以进行测量和读数，物镜和目镜则须选择正光焦度。3.2.3 棱镜系统：根据火炮周视瞄准镜的设计要求，必须通过平面镜棱镜系统作为倒像系统， 并且需要使系统成正像，同时还要实现周视的效果。4然而平面镜存在着一些缺点：平面镜不易固定， 容易脱落或者错位，从而引起光学系统的偏差；还有 平面镜会吸收更多的能量，从而造成光学系统的能量 损失。因此，我们在火炮周视瞄准镜中使用直角棱镜 来代替平面镜。确定道威棱镜及转动方向、速度：根据火炮周视瞄准镜的军用原因，需要实现在水 平方向以及竖直方向上能够改变光轴方向。我们可以 使用以下设计方

8、法：在光轴上端 O1 点位置安置一个直角棱镜（顶端直角棱镜）， 使其既可以绕过 O1 点垂直于主截面的水平轴转动从而实现俯仰，也可以绕竖直 轴 O1O2 转动从而实现周视。同样，在 02 处防止一个直角棱镜实现将光轴改变 90 度方向从而水平进入人眼。当顶端棱镜绕过 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；当棱镜绕 O1O2 轴转动时，如果我们假设物平面相对主截面不动，则像平面 将随着顶端棱镜的转动而转动。此时如果要求像平面不转，就必须使像平面产 生相反方向的转动。又因为要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变 90 度的底端棱镜很一定不能转动。这样的话，就必须加入一个棱

9、镜，利用它的旋 转来补偿像平面的转动，并且不会使光轴的方向发生改变。我们选择一个直角 棱镜放置在 01 与 02 之间某个适当的位置来实现对像平面的补偿旋转。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 射次数应该是一个奇数，可以添加一个直角棱镜。又为了减少棱镜的体积与重 量，并且达到节省材料的要求，我们选用道威棱镜来代替直角棱镜。道威棱镜的表面与入射光线出射光线并不平行，所以道威棱镜只能工作在 平行光路中，只能放在物镜前。当 O1 处顶端直角棱镜和道威棱镜作为一个整体 一起转动时，如果假设物空间坐标跟着转动，即物相对棱镜截面不动，像面将 和棱镜同时转动。当道威棱镜单独转动

10、时，像平面的转角等于棱镜转角的 2 倍。 因此，两棱镜同时转动 a，然后把道威棱镜按相反方向转 a/2，即可成功补偿像 的旋转。换句话说，棱镜 2 的转角应该在数值上是棱镜 1 转角的一半，且旋转 方向需要相同。然而，由于加入道威棱镜，即增加了一次反射，两个直角棱镜再加上一个 道威棱镜，使得总反射次数变为 3 次，使物像相似关系得到了破坏。为了保证 物像相似关系，应该使光学系统中光轴的总反射次数为偶数，因此我们可以引 入一个屋脊面，并且将屋脊面取在底端直角棱镜 O2 处。如此有利于维持系统的 稳定。如下图所示：53.2.4 共轴系统和棱镜系统的组合能够转向的直角棱镜必须工作在平行光路中，由于道

11、威棱镜的入射面和光 线不垂直，所有其也需要工作在平行光路中。并且需要将保护玻璃、直角棱镜、 道威棱镜设置在物镜之前。另外需要考虑充分利用目镜和物镜之间的空间，将屋脊棱镜放在物镜和目 镜之间。又由于物镜的焦距在数值上要大于物镜的焦距，所有应该将屋脊棱镜 放在物镜和分划板之间。3.2.5 孔径光阑的确定为了确定系统中这些光学零件的尺寸，必须选择轴外点成像光束的位置， 也就是确定入瞳和孔径光阑的位置。考虑到使系统中各个光学零件的尺寸比较 均匀，孔径光阑应该选在道威棱镜上，因为在相同的通光口径下，道威棱镜的 体积最大，因此它的相对通光口径尽量小。又因为在前四个光学零件的中间位 置，其他光学零件和它比较

12、接近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的 口径相对较小。我们可以把系统中主光轴和光线的交点，即道威棱镜的中点，作为名义上 的孔径光阑。由此，整个光学系统的设计初样图大概如下所示：63.3 光学系统的外形尺寸计算3.3.1 选择目镜：由视放大率和物方视场角以及可以得到7 . 3102 tantan像方视场角；874.35)7 . 35arctan(tan22选用对称目镜，其光学特性为，874.354240243 目flz又出瞳距离，故，我们取；mmlz20 mmlfz7 .2634目mmf28 目视度调节范围是，目镜的轴向移动量，满足设计要5mmfx92. 3100052 目求；其中，分别为

13、视放大率、物方视场角、像方视zlDDff22、目物场角、物镜焦距、目镜焦距、物镜口径、出瞳直径、出瞳距离。3.3.2 选择物镜：由，故；7 . 3物目 ffmmmmff6 .1037 . 328目物7由，故；7 . 3DDmmmmDD8 .1447 . 3相对口径，选用双胶物镜；25. 0143. 06 .1038 .14 mmmm fD物其中，分别为视放大率、物方视场角、像方视zlDDff22、目物场角、物镜焦距、目镜焦距、物镜口径、出瞳直径、出瞳距离。3.3.3 计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数：将道威棱镜展开，根据轴向光束确定孔径光阑直径。根据之前的分析，孔径光 阑应该取在道威棱镜的中心，

14、故道威棱镜通光口径取；mmD8 .14棱镜采用 K9 玻璃，所以有，其中为道威棱镜展开后斜边长，所以aD334. 0a我们可以得到，并且可以通过计算得道威棱镜的mmmmDa31.44334. 08 .14 334. 0轴向长度是；mmmma66.6231.44414. 12我们以入射角入射，根据公式，其中,因此相当45nlKE 81. 0K5163. 1n空气层厚度为；如下图所示mmmmE67.235163. 131.4481. 08接下来我们来验证渐晕系数:K（1）光线由上方入射时，根据几何关系，我们可以得到5mmmmmmmmDEDD17.135tan8 .145tan67.2328 .14

15、5tan5tan2故渐晕系数为8898. 08 .14 17.13mmmm DDK（2）光线由下方入射时，根据几何关系，我们可以得到5mmmmmmmmDEDD58.105tan8 .145tan67.2328 .145tan5tan2故渐晕系数为7148. 08 .1458.10mmmm DDK上述两种情况渐晕系数都大于 0.5，所有设计是合理的，能够对斜光束起到限 制作用。3.3.4 计算 01 处顶部棱镜和保护玻璃的尺寸：我们可以取顶部棱镜与道威棱镜间距为，保护玻璃和顶部棱镜的间距为mm36 ，现在可分光束分别由上方射出和下方射出两种情况：mm8559（1）光束由上方入射5对于顶部棱镜而言，入射角是 0，所