周视瞄准镜的初步设计 北京理工大学 光电学院小学期作业

1、应用光学课程设计火炮周视瞄准镜初步设计姓名：韩遇 班号：04111202 学号：1120120947专业：测控技术与仪器目录一、综述 4二、光学系统的技术要求 4三、根据要求拟定光学系统的工作原理 51、光学系统的基本形式 52、光学系统的基本结构 53、系统潜望高的形成 54、俯仰和周视范围的确定 65、共轴系统和棱镜系统的组合 86、孔径光阑位置、物镜位置的选定 8四、光学系统的外形尺寸计算 91、目镜的设计92、物镜的设计103、分划板的尺寸设计114、系统中光学零件的外形尺寸设计11(1) 道威棱镜外形尺寸的计算11(2) 物镜通光口径的计算 _,d(hiN 14(3) 顶端直角棱镜尺

2、寸、保护玻璃尺寸的计算14(4) 屋脊棱镜尺寸的计算16(5) 目镜通光口径的计算175、验证系统参数17(1) 验证出瞳距离17(1) 验证潜望高18五、设计的光学系统的参数18六、系统设计图示19七、参考书目19附录 棱镜转动定理201、目的202、棱镜转动定理203、定理证明22一、 综述 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。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。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。按观察范围划

3、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。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，做出确的分析和瞄准，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：                     物方视场角：                      出瞳

4、直径：                         出瞳距离：                       潜望高：                          要求成正像 光学系统要求实现俯仰瞄准范围

5、7;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=0.5.3.7倍视放大率能获得较好的观察精度4mm的出瞳直径能在夜间观察时，仍能获得较好的视场潜望高为185mm能使瞄准者不被对方发现，有较好的隐藏效果出瞳距离至少20mm能保证该装置在军事领域的使用，保证瞄准手在佩戴防毒面具等装置后仍能使用该装置水平瞄准范围和俯仰瞄准范围分别为360°和±18°考虑到仪器的制作和使用的需求三、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；由于系统用于对远距离目标进行观察，

6、具有较大的视角放大率，且可以安装分划板，因此它必然是一个开卜勒望远镜，要使用正光焦度的物镜和目镜。2、光学系统的基本结构：物镜、目镜、分划板、保护玻璃保护玻璃可以对系统起到密封的作用，分化板上刻线后可以进行测量和读数物镜和目镜的选择需保证像差小，分辨率高3、系统潜望高的形成由于系统要求有一定的潜望高度，所以可以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，而棱镜则可以克服这些缺点，所以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

7、个棱镜都选用直角棱镜。这样既可以克服较大的光能损失，又便于安装。因此，系统将采用两块直角棱镜。4、俯仰和周视范围的确定。为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，可以在光轴上端O1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。但当棱镜绕O1O2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

8、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。因此必须在系统中加入下列性能的棱镜：0°-1; 0°-3; 0°-5下图为可以采用的组合：顶端的直角棱镜与转像棱镜的反射次数之和为偶数。系统要求物和像反向，并且整个系统的入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜在同一主截面内的反射次数应为奇数。故可采用一个90°-1的直角棱镜，但成“镜像”。为了使物和像相似，必须把上下两个棱镜中的一个反射面改为屋脊面(屋脊面不能加在转像棱镜上，因为这样会使转像棱镜的反射次数变为偶数，则棱镜转动时，像不转)。例如，将下端的直角棱镜用直角屋脊棱镜90°2代替

9、。考虑系统的轻便性，选择了道威棱镜。道威棱镜的入射面和光轴不垂直，必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间。由于道威棱镜需工作在平行光路中，所以在道威棱镜前不能放物镜。故道威棱镜应放在物镜的前面。当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜截面不动，像面将和棱镜同时转动。当棱镜2单独转动时，像平面的转角等于棱镜转角的二倍。因此，棱镜1和2同时转动，然后把棱镜2按相反方向转/2，即可补偿像的旋转。换句话说，棱镜2的转角应为棱镜1的转角的一半。 5、共轴系统和棱镜系统的组合 为了便于观察和瞄准，要求系统 应成正像，可以考虑加入倒像系统。由

10、于系统要求有一定的潜望高度，所以可以考虑必须加入透镜式倒像系统，为了减小光学零件的口径也可以考虑加入场镜。因此共轴系统中可以包括包括物镜，目镜，一对倒像透镜，场镜。但是限于设计的简便性，本装置中我们不考虑。6、孔径光阑位置、物镜位置的选定 由于端部直角棱镜要俯仰，所以共轴系统 和棱镜系统的组合必须在共轴系统物镜前面的平行光束中，另外道威棱镜的入射面和光轴不垂直，也必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间，由于道威棱镜在相同的通光口径下尺寸比其它光学零件大得多，因此应把孔径光阑选在道威棱镜上，另外，要尽可能的减小两个棱镜的通光口径，最好使斜光束的主光

11、线通过棱镜中心，也通过道威棱镜中心，由于道威棱镜需工作在平行光路中，所以在道威棱镜前不能放物镜，如果两个棱镜都在物镜的前面，主光线当然不能同时通过这两个棱镜的中心，并考虑到物镜和目镜的焦距，和分化版的位置，整个光学系统，物镜应位于底端屋脊棱镜与道威棱镜之间。四、光学系统的外形尺寸计算1、目镜的设计（1）目镜的光学特性包括： 1）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，特广角目镜甚至超过100°2）相对孔径小，一般小于1：5；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

12、寸会增加。（2）目镜的结构型式，及有关特性参数 目镜的视场为 tg'=×tg根据系统光学特性的要求。将=3.7×，物方视场角 2=10° ，代入上式，得目镜的视场角为tg'=×tg=3.7×tg5°=0.324   '=17.94°  2'=35.88° 因为出瞳距离lz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

13、透镜构成，光学特性为：目镜视场角为  2'=65°72° 相对出瞳距离为  3/4由相对出瞳距离和系统所要求的出瞳距离lz，即可求的其大致的焦距lz20mm，lz=×f目20mm故 f目27mm。在这里取 f目=30mm。2、物镜的设计（1）物镜的光学特性：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°.（2）物镜的结构型式，及有关特性参数取倒像系统的放大率等于-1，据公式 = -将 =-3.7，f目=30mm 代入公式得： f物=111mm（3）入瞳直径（入射光束口径）和相对孔径据公式 = 其中

14、 D=4mm ，=3.7 得入瞳直径为： D=3.7×4=14.8mm物镜相对口径：=0.133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。 3、分划板的尺寸设计由无穷远物体理想像高的计算公式有分划板半径 d=y=- f物×tg=9.71 mm分划板直径 D=19.42mm4、系统中光学零件的外形尺寸设计为了最大程度的减小两个棱镜的尺寸，要求斜光束的主光线同时通过端部棱镜和道威棱镜的中点，借此确定了系统中成像的斜光束的位置，就可以计算出每个光学零件的通光口径。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，把入射和出射主光线和光轴的交点，作为入

15、瞳和出瞳的位置，把系统中主光线和光轴的交点，即道威棱镜的中点，作为名义孔径光阑。(1)道威棱镜外形尺寸的计算取 D=3.7×4=14.8mm AI E aID B C假定光束的入射角为I=45°玻璃的折射率为nsinI=cosI= = 故D=EBsin45°=AB-AE= 易得D= 对于 玻璃，代入得D=0.334a 取n=1.5136a=44.31mm。 =44.31×1.414=62.66  其中a为道威棱镜展开成玻璃板后，沿光轴方向的斜高度。在轴向光束情况下 将玻璃板换算成相当空气层Ea=K由于光轴与道威棱镜表面的入射角为45°

16、，查的K=0.8，将参数代入公得其相对空气层厚为Ea=44.31×=23.42mm。在斜光束情况下，计算如下：如图：仪器光学特性要求渐晕系数k=0.5,为此需验证由道威棱镜产生的渐晕，如下图所示：ELEaD当光线以-5°视场角入射时存在渐晕，图中画出了斜入射光束范围Dw。首先Ea=44.31×=23.42mm。则根据上图几何关系：Dw=14.8-(23.42×2+15)tg5°=10.59解得：KD=Dw/D=0.72,这说明要使渐晕系数为0.5，物镜也起到了限制光束的作用。当光线以+5°视场角入射时存在渐晕，图中画出了斜入射光束范围

17、Dw。ELED如图中几何关系：Dw=14.8-23.42××tg5°+14.8×tg5°=13.2算得：KD=Dw/D=0.89,同样这说假如使渐晕系数为0.5，物镜也起到了限制光束的作用，并取其通光口径为D=14.8mm(2)物镜通光口径的计算 _,d(hiN   由于整个系统的渐晕系数要求大于0.5，因此物镜也可以限制成像光束的口径，在前面取道威棱镜的通光口径为14.8mm，则因此经过道威棱镜后进入物镜的口径也为D=14.8mm。  道威棱镜和物镜的最大距离为 =-62.66=21.92mmd3在此处取d3=20mm D

18、(3)顶端直角棱镜尺寸、保护玻璃尺寸的计算：顶端直角棱镜尺寸计算取道威棱镜与顶部直角棱镜的距离为d1=50mm采用K9玻璃制成所以顶端直角棱镜的相当空气层厚度为 El=9.78mm顶部棱镜相当空气层前端面距转轴O的距离为，后端面距转轴O的距离为。易得当光线以，正入射，三种情况入射时，入射所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径最大。因此只需计算入射所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径。同时，可以看出，保护玻璃和顶部直角棱镜组成的系统在仰角为，无俯仰，俯角为三种情况下，由于道威棱镜展开后的相当空气层呈仰角，所以仰角为时，所需保护玻璃和顶部直角棱镜的口径最大。所以我们只需考虑光线以入射，同时保护玻璃和顶部直角

19、棱镜组成的系统在仰角为时保护玻璃和顶部直角棱镜口径的大小。 0.16 +50 45°5°PEHCABG9°由几何关系得 联立，解得 27.32mm保护玻璃的尺寸取保护玻璃和顶端棱镜的距离为15mm易得 AB=6.168mmAC=69.373mmEC=AC+ =84.357mmEG=7.5002mm (EG+ )*2=29.984mm(4) 屋脊棱镜尺寸的计算 对于屋脊棱镜经查表得： L=1.732D=1.732×14.8=25.63mm同样采用K9玻璃，则相当空气层的厚度为 e=16.94mm可得d4=H-d1-d2-d3=185-50-62.66-20

20、.00=52.34mm且有 w= arctg=1.19° d4+e=解得屋脊棱镜的口径为 （5）目镜通光口径的计算 目镜与分划板距离为f目=30mm物镜f物=111f目=30lz目镜考虑下边缘入射的一条光线：tantan=- 解得：tan=-0.2208=-14.8-(f物+f目) tan=16.3328mmD目=32.6656mm5、验证系统参数（1）验证出瞳距离h=111×tg5°=9.71mm=1.19° h=-30×tg=9.087mm h0=12.71mm lz=39.27mm（2）验证潜望高H=d1+d2+d3+d4+d5

21、=50+62.66+20+52.34=185mm出瞳距离和潜望高符合要求五、设计的光学系统的参数 1、保护玻璃 =29.98mm 2、顶端棱镜 =27.32mm 3、道威棱镜     =14.8mm d2=62.66mm4、物镜         =14.8mmd3=20mm f物=111mm 、目镜         =32.67mm f目=30mm、底端棱镜 =17.66mm 、分划板 

22、    =19.42mm 15mm50mm62.66mm20mm52.34mm58.66mm30mm六、系统设计图示 58.66mm七、参考书目应用光学，李林，北京理工大学出版社 现代光学设计方法，李林，北京理工大学出版社 光学设计手册，李林，北京理工大学出版社附录 棱镜转动定理一、目的：为了扩大仪器的观察范围，常常利用旋转平面镜和棱镜的方法来改变仪器的光轴方向例如：周视瞄准镜：顶部棱镜绕着过O1点垂直于主截面的轴转动，也可以把棱镜绕垂直轴O1O2转动。另外在装配调整中，利用棱镜的转动来调整系统的光轴方向或成像方向的偏差，即“光轴偏”或“像倾斜”。二、棱镜转动定理

23、棱镜转动定理是研究棱镜转动对象空间方向和位置的影响。在物空间不动的条件下，当棱镜绕任意轴转动时，像空间位置和方向的变化。当棱镜在平行光路中工作时(对应成像物体在无限远)，只需要考虑像的方向；如果在非平行光路中工作(对应位在有限距离的虚物或实物)，则既要考虑像的方向，也要考虑像的位置。棱镜转动定理： “假设物空间不动，棱镜绕P转 ，则像空间首先绕P转(-1), 然后绕P转”。 为表示棱镜转动方向和位置的单位向量。为P在像空间的共轭像,也是一个单位向量，为棱镜的转角。符号规则：当对着转轴向量观察时，逆时针为正，顺时针为负。n为棱镜的总反射次数。把像空间的转动情况，用先后绕P和P的两次转动来表示。

24、有限转动不符合加法交换律，两次转动的顺序不能颠倒。引入一个代表有限转动的特定符号P。括号内代表转角，它的符号规则如前所述。单位向量P代表转轴的位置和方向。p只是一个表示有限转动的符号，而不能看作是一个向量。棱镜转动定理可以用上述符号表示如下： A=(-1)n-1P+P符号A只是作为像空间转动状态的一个代号，没有别的含意。P和(-1)n-1P不是向量，不能按向量运算规则进行向量运算。根据符号的定义，以下两种关系显然成立： 1P+2P=(1+2)P （-P）=-P第一个等式说明，先绕P转1后，再绕P转2，就等于绕P转(1+ 2)第二个等式则说明，绕(-P)转就等于绕P转-三、定理证明 物空间不动，

25、棱镜经绕P转这样一个运动 ，设想分成两步来实现。 第一步：设棱镜不动，物空间绕P转-，如果反射次数n为奇数，系统成镜像，像空间将绕P转；如果n为偶数，物像相似，像空间绕P转-；总的说来，相当于像空 间转(-1)n-1。 第二步：物空间和棱镜一起绕P转，像空间显然也绕P转这样最后总的结果就是：物空间回到了原始位置，棱镜绕P转，像空间首先绕P转(-1)n-1，然后绕P转。第一步：物空间绕P转- 棱镜不动 像空间绕P转(-1)n-1第二步： 物空间绕P转 棱镜绕P转 像空间绕P转- 总结果: 物空间不动 棱镜绕P转 像空间首先绕P转 (-1)n-1, 然后绕P转 1.上述结论只涉及到棱镜的总反射次数，而并没有涉及棱镜的具体形式，因此它对任意的平面镜棱镜系统都是成立的。2.证明中似乎对转角没有什么限制，但实际上是有限制的。 首先，如果转角过大，光线无法进入平面镜棱镜系统. 其次对棱镜系统来说，除去反射平面而外，还相当于在共轴系统中加入了一块平行玻璃板，当棱镜在非平行光路中转动，并且转轴和入射光轴又不平行时，棱镜转动以后，入射光轴就不再垂直棱镜的入射面，这就破坏了系统的共轴性。一、 在平行光路中工作