应用光学课程设计-张一鸣

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日目录火炮周视瞄准镜概述·················1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·················2光学系统的设计计算内容···············2光学系统的参数总结·················11光学系统的原理示意图················12工程伦理与职业道德·················12环境与可持续性···················13技术与社会·····················13法律与法规·····················13个人与团体·····················14参考文献·····················14附录·······················14棱镜转动定理······················14INET3.3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像方视场角；选用对称目镜，其光学特性为，，又出瞳距离，故，我们取；视度调节范围是，目镜的轴向移动量，满足设计要求；其中，分别为视放大率、物方视场角、像方视场角、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；由，故；相对口径，选用双胶物镜；其中，分别为视放大率、物方视场角、像方视场角、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，故道威棱镜通光口径取；棱镜采用K9玻璃，所以有，其中为道威棱镜展开后斜边长，所以我们可以得到，并且可以通过计算得道威棱镜的轴向长度是；我们以入射角入射，根据公式，其中,,因此相当空气层厚度为；如下图所示接下来我们来验证渐晕系数:光线由上方入射时，根据几何关系，我们可以得到故渐晕系数为光线由下方入射时，根据几何关系，我们可以得到故渐晕系数为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，现在可分光束分别由上方射出和下方射出两种情况：光束由上方入射对于顶部棱镜而言，入射角是0，所有相当空气层厚度为根据图中的几何关系，可得解得，所以保护玻璃的直径是光束由下方入射对于顶部棱镜而言，入射角是0，所有相当空气层厚度为根据图中的几何关系，可得解得，所以保护玻璃的直径是最终，根据以上计算，应该取各项光学量的较大值，我们可以取顶部棱镜和保护玻璃的相关参数为顶部棱镜口径为，相当空气层厚度，保护玻璃直径；3.3.5计算物镜相关参数：我们可以尝试去道威棱镜和物镜之间间距为（1）光束由上方入射为了使轴向光束可以通过物镜，必须满足物镜口径，假设由几何关系可以得到渐晕系数，，物镜口径不需要再增大；（2）光束由下方入射为了使轴向光束可以通过物镜，必须满足物镜口径，假设由几何关系可以得到渐晕系数，，物镜口径不需要再增大；综合以上两种情况，我们可以将物镜口径取为。3.3.6计算屋脊棱镜和分划板尺寸：对于屋脊棱镜，有同样采用K9玻璃，则相当空气层厚度又，其中，，，所以根据几何关系得，，带入数据即解得，即屋脊棱镜口径为根据几何关系，分划板口径；物镜与屋脊棱镜之间的距离屋脊棱镜与分划板之间的距离为3.3.7计算目镜口径：3.3.8验证出瞳距离和潜望高：故潜望高的关系成立如图所示，由几何关系，根据相似关系，有解得，所以上述设计是合理的。光学系统的参数总结4.1总参数放大率物方视场角入瞳直径出瞳直径潜望高俯仰范围水平范围渐晕系数4.2保护玻璃直径4.3保护玻璃与端部棱镜之间的距离4.4顶部棱镜直角边长4.5顶部棱镜与道威棱镜之间的距离4.6道威棱镜展开边长直接长度4.7道威棱镜与物镜之间的距离4.8物镜结构双胶物镜焦距口径4.9物镜与屋脊棱镜之间的距离4.10屋脊棱镜直角边边长4.11屋脊棱镜与分划板之间的距离4.12分划板直径4.13分划板与目镜之间距离4.14目镜结构对称目镜焦距口径4.15出瞳距离光学系统原理示意图工程伦理与职业道德工程活动作为现代人类社会存在和发展的物质基础，作为一项人类最基本的社会实践活动，不但涉及人与人、人与社会、人与自然的关系，还存在着许许多多深刻的伦理问题。工程伦理包括两个层次的道德现象：一是工程师个人道德良心、道德观念、道德行为；二是工程组织的伦理准则。作为一名火炮周视瞄准镜的准设计工程师（本科学生），个人所必须承担着对社会负责的伦理责任。大力保证自己的设计正确可行，且对人类社会的发展与前进具有一定的促进作用，个人应做到承担以下三个方面的伦理责任：虽然对于个人不可预测的结果难以负责，但必须做到对可预测结果负责。对于周视瞄准镜设计阶段理论与计算上的问题一定要做到清楚解决，不可含糊。工程师同样作为人类社会的一分子，对于他人具有道德义务，比如造福社会，工程生产有效用。火炮周视瞄准镜，能有效提高火炮部队战斗力，作为一种军事震慑的存在，一定程度上能促进国家与地区的和平发展。工程师有职业上的责任，使自己的工程作品能够增加福祉，避免伤害，得到大众的信任，保证没有抄袭、侵权等行为发生。努力改进火炮周视瞄准镜，使其更加配合军队使用，是军事工程师需要花费大量精力去追求的目标。环境与可持续性火炮周视瞄准镜，其结构以各类光学镜类仪器为主，而其制作材料以玻璃为主。故火炮周视瞄准镜的生产与玻璃工业有着密不可分的关系。玻璃的生产涉及以下两个方面的环境问题：生产原料：玻璃的主要成分是以二氧化硅为主的硅酸盐类，硅酸盐类作为岩石类的物质，常常存在于地表与岩层。地表岩层涵盖着人类需要的大量资源，于是对硅酸盐的开采与使用面临以下问题：第一、开采与提炼的效率问题：生产方需要拥有足够成熟的开采技巧与提炼工艺，使得硅酸盐资源得到最大程度化的转化与使用；第二、废料处理问题：对提取硅酸盐的岩石废料需要进行资源回收再利用，用以提炼其他生产原料比如碳类，同时对无利用价值的废料要环保处理，尽量减少污染。第三、可持续发展问题：对硅酸盐资源的开采与利用要求具有严格的规划，不可过度开采。生产工艺：对硅酸盐的高温提炼要求很高的稳定，这就对工厂的设备与电力提出了很高的要求，而电力资源与设备的来源同样设计到环境资源问题。如何平衡与协调玻璃生产中各个方面的环境资源问题，实现真正意义上的可持续发展，这是一个值得思考与探索的问题。半成品利用：对玻璃成品的再加工与利用，针对本文的物理光学仪器的加工与制作，同样需要注意工业上的合理规划问题，人力资源的安排与利用，工程技术上的要求，以及尽可能提高成功率来减少资源浪费。技术与社会个人以火炮周视瞄准镜为主题的工程设计，在设计理念上依然存在很大的不足，无法与国内先进水平相提并论，在工程技术等实际问题的要求之下，可能很难达到一个最好的设计平衡。个人的设计水平来源于高校内的学习，仍然具有很大的局限性；而现实军用的火炮周视瞄准镜来源于军事工程专家的设计，结合考虑到了理论与使用实践。火炮周视瞄准镜的设计，为提高我国火炮部队的打击精度，增强我国火炮部队的战斗力，提供了很大的帮助。其具有的一系列优点，比如体积不大，质量轻便，容易携带，可以实现俯仰与周视，并且能够兼有精确瞄准与大致测量两大作用，使其实用价值特别突出。法律与法规工程师个人以及工程组织做到绝对遵守国家相关法律法规，切实做到在法律法规允许的范围内进行工程设计，并且遵守工程伦理提出的职业道德，保证尽到工程师个人或组织应尽的伦理责任，以道德的良知与行为，去进行造福人类的工程设计。个人与团队此次火炮周视瞄准镜的设计以个人设计为主，以老师的引导讲解、同学的支持帮助为辅，历时半个月，最终初步完成课程设计的理论部分。个人以查阅光学设计相关资料、运用应用光学相关知识进行计算设计为主要手段，对火炮周视瞄准镜的每一个设计步骤进行周密的计算，最终得出一个初步的理论设计图样和一系列初步的理论设计参数，并对其在工程上的可实现性以及军事上的可利用性做出了大致的预测，并且对整个课程设计过程中的每一个步骤以及整个课程设计的过程进行了一定程度的反思与总结。参考文献《应用光学》第五版（李林、黄一帆主编）北京理工大学出版社《应用光学》英文版第二版（李林主编）北京理工大学出版社《光学设计》（刘钧、高明主编）西安电子科技大学出版社《光学设计手册》（李士贤、李林主编）北京理工大学出版社《计算机辅助光学设计的理论与应用》（李林，安连生）国防工业出版社《工程光学》（李林，林家明，王平，黄一帆）北京理工大学出版社《现代仪器设计》（李林）科学出版社《应用光学》（安连生、李林、李全臣）北京理工大学出版社《几何光学与光学设计》（王子余）浙江大学出版社《光学设计》（袁旭沧）北京理工大学出版社附录棱镜转动定理：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。棱镜转动定理：“假设物空间不动，棱镜绕P转θ，则像空间首先绕P′转

然后绕P转θ”。P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,也是一个单位向量，θ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。

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［θP］θ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。［θp］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’]=[P’]+[θP]式中，符号[A’]只是作为像空间转动状态的一个代号，没有别的含义。由于[P’]和[θP]都不是向量，因此不能进行向量运算。根据符号定义，一下关系显然成立：第一个等式说明，先P转后，再绕P转，就等于绕P转（+）。第二个等式说明绕（-P）转θ就等于绕P转-θ。定理证明可将物空间不动，棱镜绕P转θ这样一个运动设想分成两步来实现。第一