应光课程设计《10倍炮对镜》.docx
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应光课程设计《10倍炮对镜》
光学总体设计
Opticalgeneraldesign
题目名称：
10倍炮对镜
学校：
长春理工大学
学院：
光电工程学院
专业：
探测制导与控制技术
学号：
1
姓名：
2013.12.20
一、概述
1、设计背景
在现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的大口径光电系统的应用越来越广泛。
比如：
天文望远镜、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输，惯性约束聚变装置等等。
2、设计目的
（1）熟悉典型望远镜的基本原理，通过设计对光学系统有最基本的了解；
（2）能运用应用光学的知识计算出望远光学系统的基本参量；
（3）了解一些光学器件的工作原理和应用；
（4）学会系统分析光学系统的问题，并提出解决的办法，从而使光学系统的工作效果达到一个较好的状态；
（5）了解光学设计中的PW法基本原理。
3、望远光学系统的原理和应用
开普勒式望远镜
开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。
物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。
这种望远镜成像是上下左右颠倒的，但视场可以设计的较大，最早由德国科学家开普勒（JohannesKepler）于1611年发明。
为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜引在光路中增加了转像稜镜系统。
此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。
原理由两个凸透镜构成。
由于两者之间如图左侧为实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。
但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。
正像系统分为两类：
棱镜正像系统和透镜正像系统。
我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。
这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。
伽利略望远镜
物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。
光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。
伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。
其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。
把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。
伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。
它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。
其优点是结构简单，能直接成正像。
（3）10倍炮对镜
炮对镜batterycommander’stelescope，用于观察和测角的潜望式双目光学仪器。
旧称剪形镜。
炮兵主要用它观察战场、搜索目标、侦察地形，观察射击效果和测定炸点偏差量，也可用于测定炮阵地、观察所的坐标。
炮对镜由两个单目镜筒组成的双筒潜望镜、方向测角机构、高低测角机构和三脚架组成。
双筒潜望镜的放大倍率8×～16×，视场4.5°～7°。
两个镜筒可以绕铰链轴转动，在0°～180°范围内任意张开，以便在隐蔽条件下工作时增强体视感或增加潜望高度。
方向测角范围为全圆周。
高低测角范围一般为－300～+1000密位，测角精度一般均为1密位。
三角架用于支撑和固定镜体其他部件。
19世纪末出现了炮队镜。
第一次世界大战以来，炮对镜得到广泛使用，成为炮兵的一种重要观测器材。
二、10倍炮对镜的设计
1.要求
物镜视场角:
出瞳直径：
眼睛间距：
分辨率:
渐晕系数：
棱镜后表面到分划板的距离：
棱镜:
FXJ-90roofprism
材料：
BaK7
目镜:
2-30
物镜：
ZK3，F5
2.目镜的选择与计算
（1）目镜2-30
根据《光学设计仪器手册》可知
图1目镜2-30结构
目镜相关参数：
表1目镜参数
-172.11
7.6
1.5688
-22.40
0.2
146.56
7.1
1.5688
-47.21
0.2
37.07
15.0
1.5688
-28.56
1.6
1.8060
31.12
7.4
1.5163
∞
（2）目镜的反转和计算:
表2目镜反转参数
∞
-31.12
7.4
1.5163
28.56
1.6
1.8060
-37.07
15.0
1.5688
47.21
0.2
-146.56
7.1
1.5688
22.40
0.2
172.11
7.6
1.5688
（3）光线追迹法求
根据光线追迹的原理，由Matalb程序求解
Matlab计算结果:
表3目镜成像参数
n
h
1
∞
0
0
0
0
∞
10
2
∞
0
-0.32134
-0.56979
-0.051546
-194
10
3
-195.6
-0.051546
0.40457
0.46574
-0.11272
-89.45
10.0824
4
-104.45
-0.11272
-0.20488
-0.32141
0.0038182
3083.5
11.7736
5
3083.3
0.0038182
0.24555
0.15652
0.092846
126.8
11.6008
6
119.7
0.092846
-0.16867
-0.26461
0.18879
58.867
11.1137
7
58.667
0.18879
0.30565
0.19483
0.29961
36.967
11.0757
8
29.367
0.29961
-0.24849
-0.38983
0.44095
19.954
8.79865
可以求得
（目镜后表面到像方焦点的距离）,
（4）计算出瞳距:
图2炮对镜初步结构
由于一般情况下望远系统的孔径光阑是物镜的边框，则根据出瞳定义：
孔径光阑经后面光学系统的在像空间所成像是出瞳，如上图所示。
则有：
根据牛顿公式
：
3.物镜选择
（1）根据目镜焦距求取物镜焦距
（2）物镜视场角
（3）物镜通光口径
望远镜分辨率
小于
，所以符合设计要求.
（4）相对孔径
（5）物镜结构
根据题目所给出的视场大小及相对孔径的大小选择物镜所需的结构。
本次系统设计中由于所设计的系统的视场不大，相对孔径也不大，故可选用双胶合物镜。
图3物镜结构
（6）物镜设计：
根据公式
选择（ZK3和F5）组合透镜。
计算结果：
设定正透镜的厚度是6mm，负透镜厚度为3mm
令
4.分划板的确定
分划板尺寸：
5.棱镜计算
（1）棱镜结构
由《光学仪器设计手册》知FBJ-0°屋脊棱镜的机构如下图
表4棱镜结构参数
a=1.223D
b=D
c=D
d=1.800D
e=D
f=0.246D
h=1.945D
L=2.980D
图4屋脊棱镜
（2）棱镜展开
屋脊棱镜：
图5棱镜展开图
式中，
为棱镜所用材料的折射率;
为棱镜所用材料对空气的等效空气层厚度；
是物镜到棱镜前表面的距离；
是一个过渡参量。
6.设计结果
目镜：
目镜分辨能力：
物镜：
分划板：
棱镜到物镜的距离：
棱镜到分划板距离：
图6.炮对镜设计结构
附录
光线追迹matlab程序
l=100000000000;
u=0;
y=10;
r=[inf,-31.12,28.56,-37.07,47.21,-146.56,22.40,172.11];
d=[7.4,1.6,15.0,0.2,7.1,0.2,7.6];
n=[1,1.5163,1.8060,1.5688,1,1.5688,1,1.5688];
len=length（r）;
forj=1:
len
fprintf（'%dsurface:
\n',j）;
ifl>=10000000000
u=0;
ifr（j）==0
continue;
else
i=y/r（j）;
i2=i*n（j）/n（j+1）;
u2=i+u-i2;
l2=i2*r（j）/u2+r（j）;
end
else
ifr（j）==0
i=-u;
i2=i*n（j）/n（j+1）;
u2=-i2;
l2=l*u/u2;
else
i=u*（l-r（j））/r（j）;
i2=i*n（j）/n（j+1）;
u2=i+u-i2;
l2=i2*r（j）/u2+r（j）;
end
end
fprintf（'l=%f,u=%f,i=%f,i2=%f,u2=%f,l2=%f\n',l,u,i,i2,u2,l2）;
abcd（j,:
）=[l,u,i,i2,u2,l2];
iflength（d）>=j
l=l2-d（j）;
else
l=l2;
fprintf（'finished:
Lf=%f',l）;
end
u=u2;
end
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