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1、火炮周视瞄准镜设计目录一、火炮周视瞄准镜综述3 二、光学系统的技术要求4三、光学系统的工作原理5 3.1、光学系统的基本形式5 3.2、潜望高的形成63.3、倒像和俯仰、周视的实现63.4、孔径光阑的实现 73.5、光学系统的基本结构8四、光学系统的外形尺寸计算84.1目镜和物镜的结构型式，焦距 84.2道威棱镜尺寸设计并计算渐晕系数11 （1）棱镜通光口径确定与初步分析11 （2）道威棱镜尺寸设计13（3）利用相当空气层求渐晕系数144.3顶部直角棱镜和保护玻璃的尺寸154.4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
2、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，保持目镜不动，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，周视瞄准镜也是一种光学测角器，可以供火
3、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。周视瞄准镜的目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转动时，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
4、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，在物镜和目镜之间形成实像，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。为防止射击时撞击头部，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: Y5q71y 1、 视放大率 T_T5vF=wq 物方视
5、场角 出瞳直径 出瞳距离 2、 潜望高 3、 要求成正像 -%&)9+ 4、 光学系统要求实现俯仰瞄准范围18 w&6BCz 光学系统要求实现水平瞄准范围360 -.ktct 5、 俯仰和周视中观察位置不变 JCl $,t 6、 渐晕系数K=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，扩大人眼对远距离目标观察的能力；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目标，更需要的是知道远处目
6、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，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行比较，便于瞄准和测量，特别适合军用。图1：开普勒式望远系统伽利略望远系统，视放大率，成正立的像。但这种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。并且在物镜的后焦面上增加分划板。然而，开普勒望远系统成倒像，在整个系统中应注
7、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，而棱镜易于固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、周视的实现图3 倒像和俯仰周式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。当顶部棱镜绕经过点的垂直
8、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
9、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
10、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；物镜和目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面保持稳定；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
11、.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1：5；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。目镜的视场为根据系统光学特性的要求：将，物方视场角 ，代入上式，得目镜的视场角为因为出瞳距离要不小于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。对称目镜由两个双胶合透镜构成，光学特性为：目镜
12、视场角为 相对出瞳距离为 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要求。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：（2）、物镜的设计物镜的光学特性为：1）相对孔径小，一般小于1：5；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。据公式 将 ， 代入公式得： （3
13、）入瞳直径（入射光束口径）和相对孔径据公式：其中 得入瞳直径为： 物镜相对口径： 根据物镜焦距和相对孔径的要求，可以采用双胶合透镜组作为系统的物镜，系统的视场为，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 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
