火炮周氏瞄准镜初步设计+

目录1火炮周视瞄准镜综述11光学系统的技术要求12拟定光学系统的工作原理2光学系统的外形尺寸计算3目镜与物镜基本光学参数计算33道威棱镜尺寸计算34道威棱镜渐晕计算44端部棱镜及保护玻璃尺寸计算45计算物镜口径56底部直角棱镜与分划板尺寸计算67目镜尺寸的计算78验证出瞳距离和潜望高89光学系统的原理图9误差分析10 道威棱镜的渐晕的另一种算法1011 设计方案的误差分析1112附录：棱镜转动定理1213参考文献 13一：火炮周视瞄准镜综述周视瞄准镜是周视望远镜的一种，它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。对于周视瞄准镜，常见的一般利用上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互相转动角，可实现水平周视。另外，上直角棱镜能绕水平轴俯仰，实现俯仰观察。但也有少部分采用立方棱镜绕垂直轴转动实现水平周视或者一些光学元件组合实现。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，观察范围小于的为水平半周视，达到的为水平全周视。有周视性能的瞄准镜，可以扩大观察范围，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。火炮周视瞄准镜是配备最多种火炮的一种瞄准镜，他用于火炮的种类有加农炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮。它是观察和为火炮标定方向用的（必要时也用于直瞄），它与高低角装定装置一起构成独立线式火炮瞄准具。它的放大率倍，视界度，出瞳距离毫米（带防毒面具用），这个镜子最有意思的是眼睛位置不动，转动转螺可观察度。因为它有特殊的光学结构。它赋予了车长精确指示目标和超越射击的能力。二：光学系统的技术要求1.光学特性:

视放大率

物方视场角

出瞳直径

出瞳距离

2.潜望高

3.要求成正相

4.光学系统要求实现俯仰瞄准范围

1光学系统要求实现水平瞄准范围

5.俯仰和周视中观察位置不变

6.渐晕系数.

1

三：拟定光学系统的工作原理光学系统基本形式：望远系统与棱镜系统的组合光学系统基本结构：由于所设计的周视瞄准镜为军用，故相比一般瞄准镜，它的成像系统有所不同。首先要求能够测量距离，所以要能够在望远系统中加入分划板，因此所选取的望远系统应为开普勒望远系统。由于要求有潜望高，并且考虑到安装方便以及性能优势，所以采用两个直角棱镜形成潜望高。在观察的灵活性方面，要求在俯仰和周视观测时像的位置不变，所以在两个棱镜中间加入一个道威棱镜，用道威棱镜的旋转消除周视情况下像的旋转，根据棱镜转动定理可知，道威棱镜旋转角度应为端部棱镜的一半。系统还要求成正像，所以要多形成一次反射，由于端部棱镜的反射影响像的旋转，所以我们在底部直角棱镜上多加一次反射，也就是采用屋脊棱镜。考虑到整个设计便捷性，体型以及材料重量的关系，我们选择道威棱镜作为系统的孔径光阑。由此系统的光学初步结构图如下：22四：光学系统的外形尺寸计算1.目镜与物镜基本光学参数计算：由于要求物方视场角，设像方视场角为，则有：,得出，根据要求的出瞳距离，综合考虑，我们采用结构对称，加工方便并且广泛应用与军用的对称目镜。由相对出瞳距离可得：可解得，取，出瞳距离便满足要求，此时有。由出瞳直径可知入瞳直径，物镜相对孔径我们采用双胶合物镜，可以满足视场角的需求。L2.道威棱镜尺寸计算：LDD4545如图为道威棱镜展开后的相当空气层，假设折射率为，取作为通光口径（通光口径应该尽量大），由道威棱镜展开公式可列出：得到。3

3aL3.道威棱镜渐晕计算：aLD’D5D’D5首先我们计算道威棱镜的相当空气层厚度；由于入射角比较大，故要采取进一步的近似，，查表插值可得，故。由图可得：得到故渐晕为满足要求。4.端部棱镜及保护玻璃尺寸计算：54.1°54.1L/nL/n7.5L7.5L9.259.253024.263024.26假设两个棱镜中心之间的距离为,由图中几何关系可以计算得出，在考虑俯仰的情况下，端部棱镜边长的最大值满足：这个值能满足向下的光线，故更可以满足向上的光线。44对于保护玻璃的计算,我们把保护玻璃放端部棱镜前表面前方处。θ此处我们忽略保护玻璃厚度对光路的影响：θ12.58420.75端部棱镜中心12.58420.75端部棱镜中心于是保护玻璃尺寸满足：5.计算物镜口径：7.588.50首先我们根据出瞳的位置大致估算出孔径光阑（即道威棱镜或入瞳）所在位置，根据出瞳距离，对物镜目镜成像后，运用高斯公式可得出道威棱镜距离物镜大于，所以我们适当增加出瞳，使得出瞳距离为，再次计算得到道威棱镜中心距离物镜。7.588.507.57.5aaLL由图中几何关系可知,物镜最大半径为5当物镜取此半径时，易知向上的光束必定可以通过物镜，由此物镜渐晕和道威棱镜一样。56.底部直角棱镜与分划板尺寸计算：由于底部直角棱镜必需满足潜望高的要求，所以我们先根据潜望高来计算棱镜的所在位置。这里必需注意的是在计算潜望高的时候我们必需校正由于等效空气层而削减的那一部分光路，如图所示：0.59D21.229.540.59D21.229.54LL潜望高潜望高我们先计算端部棱镜中心到物镜的距离；由前面讨论结果知，在空气层等效下，端部棱镜中心到物镜距离为，在还原之后，可以看出光路在S这段距离上增加了，所以实际上。因此，物镜到底部棱镜中心的距离为，由此我们可以得到底部棱镜的空气层中心距物镜，其中为底部棱镜的通光口径。L下图为底部直角棱镜尺寸的计算图：L0.571D0.571Dhrhrθθ66由图我们得到由此棱镜的半长度可以算出：分划板尺寸，所以总长度为7.目镜尺寸的计算：44H1H1L2LL1L14.4314.432233θ2LθL2L2'2LL1'Lθ1L1θL1L3L1LL18.5018.5077我们追击两条边界光线1，2,分别向上向下5度，这两条光线最大决定了目镜的口径。首先我们根据道威棱镜以及物镜的参数可以求出，。具体步骤如下：然后我们先算L1，如图：所以光线1传播到了物镜下半部分，，同理可得，光线2在物镜上半部分。由图：同理由此，得到在目镜上对应的高度：因此我们取最大半径，所以目镜直径取。8.验证出瞳距离和潜望高：对于潜望高的验证，由上述结果数据可以得到两个直角棱镜中心距离为满足要求由道威棱镜的位置可知入瞳位于物镜前方处，经过物镜目镜成像后就是出瞳位置。由高斯公式，分别对物镜、目镜成像后可得出瞳为满足要求。88保护玻璃端部棱镜 道威棱镜底部长物镜底部棱镜分划板目镜出瞳9.光学系统的原理图：保护玻璃端部棱镜 道威棱镜底部长物镜底部棱镜分划板目镜出瞳②②①①③③⑦⑥④⑦⑥④⑧⑧⑤⑤99误差与分析道威棱镜渐晕的另一种算法:h’hh’hααααLL由图，我们同理可得向上的光线是渐晕的最小情况，由折射定理以及简单的几何关系我们容易求得所以L超出了道威棱镜底部边长，也就是说下面的一些平行光都可以通过，限制只存在上面某一条光线无法通过棱镜右下角，如图，对上面那一条边界光线有：得到：所以渐晕为由此可见，与空气层模型算得的渐晕是不一样的。110设计方案的误差分析：本设计没有考虑色差，所以对于不同的波长的光对应的成像性质可能有差异，但是色差对于观测来说要求不是太高，我们更多的考虑是设计中的几何误差。在本设计中我们在计算各个棱镜的尺寸以及位置的时候都采用了相当空气层，所以这一个简化措施会带来一定的误差，下面我们着重分析这一种误差：lln如图所示我们都知道一块玻璃板的相当空气层厚度在近轴光线下可以近似看做，如果入射角过大，那么我们要采取进一步的近似，乘以一个系数来修正误差。在本设计中，端部棱镜以及底部棱镜空气层厚度都是按照来计算的，而道威棱镜的空气层厚度则取，也就是对应入射角的修正系数。首先，我们引入了相当空气层的简化模型，即使空气层厚度没有误差，相当空气层的引入与实际光路还是有所区别的，我们在计算道威棱镜渐晕的时候就可以看出，相当空气层的算法与光路追击的算法得到的渐晕值不一样，由此证实空气层模型与实际光路是有差别的。 其次，我们在用空气层等效时，厚度的计算并不严格，我们所使用的空气层厚度是平行光轴的光所对应的厚度，对于的光线来说，不同入射角对应的修正系数是不一样的，严格来说对于每一条光线都有一个对应的空气层光路，然后再将空气层还原成玻璃板才是真实光路的结果。在这个设计中由于视场角比较小，所以我们近似认为空气层厚度都等于光轴所对应的厚度，这样也带来了不可避免的误差。我们来估计一下这个误差的大小：空气层厚度：很小11并且此处的值取的是与的差，而的值应该更小，所以，这个值对于设计影响不大，在初步设计中可以忽略。

11附录棱镜转动定理：当棱镜位在平行光路中时,只需要考虑像的方向;如果在非平行光路中工作,则既要考虑像的方向,也要考虑像的位置.如下图所示,PP’PP假设为表示棱镜转动方向和位置的单位向量,P’为P在像空间的共轭像,它也是一个单位向量.为棱镜的转角,它的符号规则是：当对着转轴观察时,逆时针为正,顺时针为负.为棱镜的总反射次数.