火炮周视瞄准镜的光学设计 [eik<1=,~?
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U`4Z j1y
一、火炮周视瞄准镜光学系统外形尺寸计算任务书 ;+Kewi;<
１、光学系统的技术要求 "_}D{ws1
２、设计计算内容 AhZ
二、系统结构原理图 (Q} ijwj
１、共轴系统的结构 (NV=YX?s
２、平面镜棱镜系统的结构 }X E/5S}D
３、棱镜转动定理 [5:7 WqB
４、共轴系统和棱镜系统的组合 @8d})X33
三、光学系统外形尺寸计算 c{P`oB8
１、确定物镜的形式和相关参数 `^h##WaXap
２、确定目镜的形式和相关参数 _NN{Wk/3w
３、道威棱镜相关参数 R20GjWy=
４、端部棱镜和保护玻璃的相关参数 bL[W.O0
５、确定物镜口径 $1
\!Oe[i
６、确定目镜口径 ! \Kh\
７、底部屋脊棱镜、分划板的外形尺寸计算 j_ <n~ri-
８、分划板的外形尺寸计算 @Oay$g P{T
９、演算出瞳距离和潜望高 JKbB,
１０、各光学零件主要尺寸总结 Mo=-P2)>lt
9!C?2*>A P
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一 光学系统的技术要求 2|o$ eq3t
1.光学特性: s*WfRY*=V
视放大率 Γ=3.7× |*a>6y
物方视场角 2w=10° P
&._ - [
出瞳直径 D'=4mm e-meUf9
出瞳距离 lｚ'≥20mm u^[v{hv'H
2.潜望高 H=185mm |0 %UM}
3.要求成正相 mMWNUkDq
4.光学系统要求实现俯仰瞄准范围±18° ~PAn
_]Z
光学系统要求实现水平瞄准范围360° Kf5 p* AI
5.俯仰和周视中观察位置不变 d)sl)qt}0
6.渐晕系数K=0.5. &Wk<F3qN
"MN' %"/
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S"z4jpqn3
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DF =. G1
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二 设计计算内容 !*-c f$
１、拟定光学系统的工作原理: 9] \vw
拟定光学系统原理，望远系统物镜、目镜、分划板、保护玻璃，形成潜望高、俯仰、周视，选用棱镜,利用棱镜转动定理确定道威棱镜的转动方向。 ugP R)tDfM
２、光学系统的外形尺寸计算: V [>5
选择物镜,目镜的结构形式,计算有关参数:相对孔径D'/f',焦距f',物方像方视场角ω, ω'. u] b6 >
计算道威棱镜尺寸. pn|{P<b \
计算端部棱镜,保护棱镜尺寸. &YMj\KmlSg
计算底部棱镜和分划板尺寸. 56dl; Z)
物镜目镜尺寸计算. ;0E 4S
验算出瞳距离和潜望高. ~3 (>_r
UW3F)
一．设计原理 )]R8
$S
1．由于系统用于对远距离目标进行观察，具有的视角放大率，因此它必然是一个开卜勒望远镜，要使用正光焦度的物镜和目镜。 ZC-N4ESr
为了便于观察，系统应成正像，所以必须加入倒像系统。 @gz?T;EC
由于系统要求有一定的潜望高度，所以可以采用两个使光轴改变90°的棱镜或平面镜，但平面镜的安装，固定十分困难，而且所镀的反光膜易变质，脱落，还会在反射时造成百分之十左右的光能损失，所以用平面镜进行反射并不理想，而棱镜则可以克服这些缺点，所以采用两个使光轴改变90°的棱镜形成潜望高。考虑到系统的简单易携性，两个棱镜都选用直角棱镜。 0qd`Pf
为了在水平面和垂直面改变光轴的方向，可以在光轴上端O1点的直角棱镜绕水平和垂直轴转动。当棱镜绕经过O1点的垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕O1O2轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面也将随之转动。如果要求像平面不转，就必须使像面产生一个相反方向的转动。这样就必须加入一个棱镜，利用它的转动来补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变。根据棱镜转动定理，加入的棱镜反射次数应该为奇数，再考虑系统的轻便性，选择了道威棱镜。同样根据棱镜转动定理，道威棱镜的转动角度为O1处的直角棱镜转动角度的一半，且两者的转动方向相反。 NKrk*I"G
目前的倒像系统中的顶端直角棱镜和道威棱镜的反射次数之和为偶数。加上底端棱镜，系统成镜像，故可考虑选择其中一个棱镜为屋脊棱镜，这里选底端直角棱镜为屋脊棱镜。 jL$X3QS:
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。 +\Q@7Lj
注：棱镜转动定理： ZAwl,N){
]CYe=m1<2Q
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.如图,假设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,它也是一个单位向量.θ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.n为棱镜的总反射次数. M}u2aW2]X
(2)棱镜转动定理可表示如下:假设物空间不动,棱镜绕P转θ,则像空间首先绕P’转(-1) n-1θ,然后绕P转θ.可以表示为: ,\7okf7H,-
[A’]=[(-1) n-1θP’]+[θP] *<1m
2t>.
[θP]只是一个表示有限转动的符号,而不是一个向量.[A’]是作为像空间转动状态的一个符号,没有特别的含义. z_)$g= 9$
根据符号的定义，以下两种关系显然成立： ;7hr8?M|
[θ1P]+[θ2P]=[（θ1+θ2）P] P/ 5r(l5
[θ（-P）]=[-θP] ]&>)=b!,
_6( =0::x
#oI`j
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二．系统外型尺寸的计算 v\vn}/>*d
选择物镜，目镜的结构型式，计算相关参数D/f’，f’： : 08UeEy
物方视场角 2ω=10° V
ALYA=w/
∵tgω'=τ×tgω=3.7×tg5°=0.324 _QY "#
∴ω'=17.94° ∴2ω'=35.52° RB2u1]l
因为出瞳距离l’z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。
f63q
因为对称目镜l’z/f’目≈3/4，而且l’z≥20mm，所以f’目＞27mm。考虑到长出瞳距离对观察并无影响，所以取f’目=30mm。 "+AD+D
∵τ= f’物/ f’目 "c x" d:
∴f’物=3.7×30=111mm +zvK/Fj2q
因为出瞳直径D’=4mm，根据τ=D/D’， 所以入瞳直径为：D=3.7×4=14.8mm。所以物镜相对口径D/f’物=14.8/111=0.13。 s0SB!-Vjm
根据物镜焦距和相对口径选用双胶物镜较合适，而且物方视场角2w=10°也满足双胶物镜的视场要求。 <:w7^m
道威棱镜的尺寸： rxA<\h,A
因为道威棱镜的体积在系统中最大，考虑到系统的总体积，重量不可过大，所以选择道威棱镜作为系统的孔径光阑。取道威棱镜的通光口径为D=15mm。道威棱镜采用K9玻璃，所以a=D/0.334=44.91mm。其中a为道威棱镜展开成玻璃板后，沿光轴方向的斜高度。其相对空气层厚度为Ea=44.91×0.8/1.5163=23.69mm。 Aj_}B.
∴d2=44.91×1.414=63.52 !=pemLvH
j#,O,\
6._):[_2
３、计算道威棱镜渐晕系数： &* iiQ3
∵l1=Ea×1.414=23.69×1.414=33.5mm Rk<:m+V =
l2=15mm [B
Al
∴l1+l2=33.5+15=48.5mm V#gXchH[L
∴DW=D-(l1+l2) ×tg5°=15-48.5×tg5°=10.76mm :([,vO:
∴渐晕系数为KD=DW/D=10.76/15=71.7％ iVRz
4|qp&%9-
４、计算顶端棱镜尺寸： G>j/d7
r\zK>GVm_
(@zn[ Nq
取道威棱镜和顶端棱镜的距离为L50mm，同时顶端棱镜为K9玻璃制成。 O7W}Z1G
所以顶端棱镜的相当空气层厚度为： 'CvZiW[_r
E=D/1.5163=0.66D S1. "2AxO
由图可得到关系式： ocvBKsfhE`
(D-15)/2=(0.66D+50) ×tg5° HDYf^mc W
从而可以得到顶端棱镜尺寸为D=26.85mm.。 Dqki }k~{
５、保护玻璃尺寸： m(Oup=\%b}
取保护玻璃和顶端棱镜的距离为10mm。 !**q20-aP
保护玻璃口径为： H={,zZ11{
D’=(0.66D+50+10) ×tg5°×2+15=28.59mm。 U1Oq"Ij~
9iUw7-)
６、计算物镜口径 I('l )^m%
由于整个系统的渐晕系数为0.5，所以物镜也限制了成像光束的口径，因此物镜口径也为15mm。 Oe?nX>
∴道威棱镜和物镜的距离为d3=15/tg5°/2-63.52=22.21mm fN9hBC@
７、计算目镜口径： <]< 50
D=2×(f’目+f’物) ×tg5°=2×(111+30) ×tg5°=24.67mm ~vg W:]i
８、计算底端棱镜和分化板尺寸： |67UN U
Ａ、底端棱镜的尺寸 z9g Z/d
底端棱镜由K9玻璃制成，所以其相当空气层厚度为：E=1.732D/1.5163=1.14D。 5g=" #
∵d4=185-63.52-22.21-50-26.85/2=35.86mm tU(6%zvR
α’=arctg(111×tg5°-15/2)/111=1.14° ny}?+&K
∴可由图得关系式： -`( :L[
d4-D/2=(D/2-15/2)/tgα’ @[^H*^1|g
∴D=16.11mm [4gv_g
Ｂ ．分划板的尺寸： 9X-DR
D=111×tg5°×2=19.42mm _T1e##Sq,
９、验证出瞳距离和潜望高 ?h5Y^}8 Qg
A.验证出瞳距离： ."2V:;;
h=111×tg5°=9.71mm 4#o` - vcW
α=arctg(h/30)=arctg(9.71/30)=17.93° *]rV,\ z:
β=arctg(19.42/2-15/2)/111=1.14° !"wIb.j }0
h’=19.42/2-30×tgβ=9.11mm z w0p}
h0=(24.67/2+h’)/2=10.72mm te` 4*t
∴l’z=10.72/tgα=33.14mm )_Bte Lo-
B. 验证潜望高 :r\<DVj
H=d1+d2+d3+d4=(50+26.85/2)+63.52+22.21+35.86=185mm )TxhJB5|
至此，设计基本完成。 SXhJz=h
三、各光学零件主要尺寸总结 vt1!|2{
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１、保护玻璃 Ｌ＝28.59mm Fax73vl|^a
2、顶端棱镜 Ｄ=26.85mm !({[ ^[!
3、道威棱镜 Ｄ＝１５mm 3KqylC &.
d2=44.91×1.414=63.52 ＫＤ＝71.7％ m~}nM |m%
4、物镜 Ｄ＝１５mm d3= 22.21mm GK)hK-
５、目镜 Ｄ＝24.67mm hfY2pG9N
６、底端棱镜 D=16.11mm [P<oyd@#
７、分划板 Ｄ＝19.42mm Dd*C? 6
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系统原理图
