火炮周视瞄准镜讲解.docx
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火炮周视瞄准镜讲解
火炮周视瞄准镜的初步设计
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一、光学系统的技术要求
光学特性
视放大率：
r=3.7X
物方视场角：
2^=10°
出瞳直径：
D'=4mm
出瞳距离：
l\>20mm
潜望高H=185毫米
要求成正像
光学系统要实现：
俯仰瞄准范围±18。
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
二、周视瞄准镜综述
1、周视瞄准镜概述
军事上为搜索目标，需要大方位观察，由于受像差限制，望远镜的视场不能太大。
所以，只能采用光学手段使望远镜的视准轴在水平面内扫描，以实现全方位观察，这种扫描也称周视。
周视瞄准镜是周视望远镜的一种。
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。
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，观察到全方位的景物。
2、周视瞄准镜原理
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。
3、周视瞄准镜的分类
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360。
的为水平半周视，达到360。
的为水平全周视。
周视望远系统按照目镜是否转到可以分为目镜不动型和目镜随主镜筒一起转动型。
前者观察舒，操作方便。
后者将使操作者感到不便。
4、周视瞄准镜的用途
周视瞄准镜是一种性能较完善的瞄准仪器，装备于各种火炮作间接瞄准之用。
火炮周视瞄准镜是配备最多种火炮的一种瞄准镜，广泛用于加农炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮。
它的目镜不动，而镜头能环视一周，它与标定器配合使用实施间接瞄准，不受地形、地物和气候条件的影响。
也能进行直接瞄准和标定。
三、光学系统的工作原理
1、光学系统基本形式
火炮周视瞄准镜的实际用途是用于望远瞄准，所以光学系统的基本形式是望远系统。
而望远系统又分为开普勒望远系统和伽利略望远系统。
采用正光焦度目镜的望远镜称为开普勒望远镜，视放人率为负值,所以正立的物体成倒立的像，观察和瞄准极为不方便，通常加入棱镜或透镜式倒像系统，使像正立。
开普勒望远镜在物镜和目镜之间有中间实像，可以安装分划板，使像和分划板上的刻线进行比较，便于瞄准和测量，特别适合军用。
采用负焦光度目镜的系统称为伽利略望远镜，这个系统的r为正值，成正像，不必加倒像系统。
但这种系统的物镜的像方焦平面在目镜的后方，系统中无法安装分划板，不适合军用，另外它的视放大率受到物镜口径的限制，也不可能很大，一般在2-3倍，常用作观剧镜。
安装分划板进行比较。
所以，此处必然的选择是开普勒望远镜，选择的是正光焦度的物镜和目镜。
2、光学系统的基本结构
（1）物镜
（2）目镜
（3）分划板
（4）保护玻璃
（5）直角棱镜
3＞潜望高的形成
由于系统需要形成一定的潜望高则需
要能够两次将光轴进行折转的平面镜或者棱镜。
但是考虑到在实际使用中，一般的镀反光膜的反射面，每次反射会有百分之十左右的光能损失。
同时，直接和空气接触的反光膜，长期使用可能变质和脱落，在安装过程中也容易造成损失。
另外，在一些复杂的平面镜系统中，如果全部使用单个平面镜安装和固定都十分困难。
综合考虑以上因素，在系统中使用两块棱镜，因为需要将光轴方向的改变90°,所以选择的是两块直角棱镜。
在实际使用过程中，将一块棱镜放在图中的6位置处,一块放置于0?
处。
4、俯仰的实现
因为在潜望高中选择了两块直角棱镜，一块安装在上方，一块安装在与目镜水平的下方。
通过将上方的直角棱镜，也就是6点处的棱镜绕着6点处与主截面垂直的轴进行转动，从而实现俯仰功能。
5、周视的实现
当安装在0’点处的棱镜绕着垂直轴0Q转动的时候的就能实现周视的功能。
因为在棱镜发生转动的时候涉及到像空间的转动，而作为一款实际运用的光学系统是要消除像的转动的。
下面，将结合棱镜的转动定理，对于俯仰和周视过程中，像的转动情况和选择的棱镜进行讨论。
6、像平面的转动和棱镜的选择
（1）棱镜绕着a点处与主截面垂直的轴进行转动
棱镜转动定理：
“假设物空间不动，棱镜绕p转b,则像空间尊耆P，转（-1）“孳绕P转e”。
V
K
\
p
r为表示棱镜转动方向和位置的单位向量
为p在像空间的共犯像,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。
在平行光路中工作的棱镜，绕垂直于棱镜主
截面的z轴转动平行光路中，只需要考虑像空间的方向，而不用考虑其位置。
P和P'都看作自由向量。
根据转动定理：
[A‘]=[（-l）n-lOPZ]+[BP]
在没有屋脊面的情形，有P二z,P‘二z‘=z,得：
[A‘]二[（T）nT8z]+[Bz]
当棱镜的总反射次数n为偶数时，[A，]二[-ez]+[ez]=0当棱镜的总反射次数为奇数时，[A，]二[ez]+[Bz]二[2ez]当棱镜绕Z轴转。
时，如果反射次数为偶数，则像空间方向不变，如果反射次数为奇数，则像空间绕Z轴转200和讨论平面镜旋转时结论完全相同。
而火炮周视瞄准镜系统是避免镜像的出现的，所以总的反射次数一定为偶数，因此像方空间的方向不变。
（2）棱镜绕着垂直轴0Q转动
根据棱镜转动定理，当平行光路中，入射和出射光轴平行，绕入射光轴x转动。
入射和出射光轴平行同向有P二x,P'二X’=x,代入棱
镜转动定理符号表示式得：
［A‘］二［（-1）心Bx］+［。
x］
当总反射次数n为偶数时，
［A‘］二［-ex］+［ex］二［o］
当总反射次数n为奇数时，
［A‘］二［Bx］+［&x］二［2Bx］
入射和出射光轴平行同向，棱镜绕光轴x转B,反射次数n为偶数时像不转，反射次数n为奇数时，则像转2Bo
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，入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜的反射次数应为奇数。
故可釆用一个90。
-1的直角棱镜，但成“镜像”o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。
从“光学设计手册”中能找到满足上述要求的棱镜，用这些棱镜可以组成下图所示的五种型式的棱镜系统。
0°-1;0°-3;0°-5
忙4\KNN
INHAll\IN
当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜主截面不动，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a,然后把棱镜2按相反方向转a/2,即可补偿像的旋转。
换句话说，棱镜1和棱镜2同向旋转，并且棱镜2
的转角应为棱镜1的转角的一半。
7、共轴系统和棱镜系统的组合
作为一款集望远与瞄准于一体的光学系统，其必然需要成一个正像，并且是物像相似的，这样才能满足实际使用的需求。
综合以上诸点的考量，当望远系统成一个倒立实像，需要加上配套的倒像系统
和用于瞄准的分划板。
所以，整个系统的部件组成如图所示。
8、孔径光阑的确定和物镜位置的选择
（1）为了是光学系统的尺寸比较均匀，应该把孔径光阑选在保护
玻璃、直角棱镜、道威棱镜和物镜上。
但是综合考量一下因素之后,显然孔径光阑选在道威棱镜上比较合理。
因为在相同的通光孔径下，道威棱镜的体积最大，因此希望它的通光孔径尽量小。
同时，它位于前面四个光学零件的中间位置，其他光学零件和它比较靠近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的口径加大较小。
实际光学系统中正是采用的道威棱镜作为孔径光阑之所在。
（2）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，物镜位在底端屋脊棱镜与道威棱镜之间是最合适的。
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
目镜的相对孔径小，一般小于1：
5o目镜的视场角大，通常的目镜都在40。
-50°,广角目镜在60°-80°,特广角目镜甚至超过100°。
但是目镜焦距较短，一般在15-30mm左右。
（2）目镜的结构型式和相关参数
由视放大率公式推出：
tgw^rxtgw
根据系统光学特性的要求。
将r=3.7x,物方视场角23=10。
，
代入上式，得目镜的视场角为
tgco-=rxtgco=3•7xtg5°=0•324
3'=17.95。
24=35.9。
因为出瞳距离1'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。
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透镜构成，光学特性为：
目镜视场角为24=40。
一42。
相对出瞳距离为祭=3/4
f目
由相对出瞳距离和系统所要求的出瞳距离1'z,即可求的其大致的焦距
rz>20nun,
1‘7
rz=-^~Xf@>20min
rs—
所以rg>26.7mino
由对称目镜的光学特性可知这种形式的目镜符合我们的设计要求。
由于系统长度要求比较大，目镜焦距可以适当取大一些，同时在进行目镜的像差设计时，较小的相对出瞳距离有利于校正像差，从而能够获得较好的成像质量，另外出瞳距离大一些对仪器的使用只有好处并无害处，所以我们取目镜的焦距
F目=32mm
2、物镜的设计
（1）物镜的光学特性
物镜的相对孔径小，一般小于1：
5；物镜的视场较小，通常望远镜的视场都不大于10°
（2）物镜的结构型式和相关参数
据视放大率和物镜目镜的关系公式：
广目
将r=・3.7,f'目=32mm
代入公式得：
F物=118.4mm
（3）相对孔径的计算
D'=4inm,厂=3.7
D=3.7x4=14.8mm
根据公式
其中
得入瞳直径为：
物镜相对口径：
7W=r^7=0-125
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，系统的视场为2co=10。
，双胶合物镜的允许视场为8°-10°,也能满足要求。
3.道威棱镜尺寸计算和渐晕系数验证
（1）道威棱镜尺寸计算
不妨我们取道威棱镜的通光口径为D=14.8mm
根据棱镜表查的尺寸为a=KTxD
占斤-1-1
道威棱镜采用K9玻璃，其中n=1.5136,所以可得：
a=°=44.3]mm。
0.334
d2=44.31x1.414=62.66mm
其屮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^
n
由于光轴与道威棱镜表面的入射角为45°,查的K二0.8,将参数代入公得
其相对空气层厚为
Ea=44.31x0-8=23.42mm。
1.5136
下图为道威棱镜的尺寸计算图
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
0.8
首先Ea=44.31x1.5136=23.42mm。
则根据上图几何关系：
Dxv=14.8-（23.42XV2错误味找到引用源。
+15）tg5°
=10.59
算得：
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Dwo
如图中几何关系:
Dw=14.8-23.42XV2错误!
未找到引用源。
Xtg5°+14.8X
tg5°=13.2
算得：
KD=Dw/D=0.89,同样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。
两种情况下渐晕系数均大于0.5,故我们的尺寸计算是合理
的。
工程上为了简化计算我们取其通光口径为D=14.8mm
（2）道威棱镜渐晕系数的验证
虽然前面我们已经对其斜光束的渐晕系数进行过讨论，下面我们再来进行验证。
如图:
Ll=Eaxl.414=23.42xl.414=33.12nun
L2=14・8mm
Ll+L2=33・12+14・8=47・92mm
DW=D・（L1+L2）Xtg50=14.8-47.92Xtg5°=10.61mm
・・・渐晕系数为KD=-=^-=71.69%250%
D14.8
符合设计的要求。
下图为渐晕系数的计算图
4、端部棱镜和保护玻璃尺寸
（1）顶端直角棱镜尺寸计算
我们取道威棱镜与顶部直角棱镜的距离为d1=40mm同样采用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
1.5136
可得关系式
。
顶;14.8=（978+40）xtg5°
得棱镜尺寸为D顶=23.71mm
下图为顶端直角棱镜尺寸的计算
（2）保护玻璃尺寸的计算
取保护玻璃和顶端棱镜的距离为lOimn
保护玻璃的口径为
D=（el+dl+10）Xtg5X2+14.8二（9.78+40+10）Xtg5X
2+14.8=25.26mm
以上均是棱镜处于没有俯仰的情形所要求的通光口径，由于棱镜的俯仰，主截面内要求的的通光口径还要加大，而垂直于主截面的方向上通光口径显然不受棱镜俯仰的影响，因此以上结果也就是棱镜垂直于主截面的通光口径。
下面我们讨论俯仰以后，要求的通光尺寸由于要求入射光束的仰角为+18。
俯角为-18。
对应的端部棱镜仰角为+9°,俯角为-9°我们采用作图法，来进行求解。
如图：
此时，通光口径如图D1所示，利用三角关系我们可以求得
9.78tg5°_9.78
D1-23.71-9.78+9.78tg5°tg9°
可以解得Dl=24.58mm
当通光口径如下图所示时：
在图中这种情况屮，我们可以类似的得到
9.78sui5°_9.78
乔莎矿赢二9.78_遇5。
sin（90。
一9。
-5。
）
可以解得Dl=25.44mm
由于转角不是很大，所以通光口径在有俯仰角时变化不是很大，故对于顶部直角棱镜和保护玻璃我们的口径均用无俯仰时的近似替代。
5.物镜通光口径的计算
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朿的
口径，如下图，在前面的讨论中我们知道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。
道威棱镜和物镜的距离为
148
d3=62.66=2L92mm
2xtg5。
右图为计算用图
6、底部直角棱镜和分划板尺寸
（1）屋脊棱镜尺寸的计算
对于屋脊棱镜经查表得:
L=l・732D=l・732xl4.8=25・63mm
设同样采用K9玻璃，则相当空气层的厚度为
L25.63Q/1
e=—==16.94mm
n1.5136
d4=H・d1-d2-d3=185-40-62.66-21.92=60.42mm
由下图得关系式为
w"=arctg<
广物
D屋14.8
22
d4+16.94=—丽—=77.36
解得屋脊棱镜的口径为D屋=1&53mm
（2）分划板尺寸
分划板的尺寸：
D分=118.4Xtg5°X2二20.72mm
7、目镜通光口径计算
冃镜与分划板距离为F目=32mm
如下图:
追击下边缘入射的一条光线:
tgQ+tg
解得：
tg^=-0.2125
¥=・14.8・（f物'+f目'）tg血=17.16mm
D目=34.32mm
8、验证系统参数
（1）验证出瞳距离
如图所示：
h=H8.4Xtg5°=10.36mm
h
a=arctg（^5）=arctg（】°"）=16.49°
（虬竺p=arctg—22一=1.32
22
118.4
『=20J2_32xtgp=962mm
2
DS八
—+ir
2
h（）二2=13.39mm
符合设计要求
（2）验证潜望高
H=d1+d2+d3+d4=40+62.66+21.92+60.42=185mm
符合设计要求
五、光学系统的主要参数
1.保护玻璃D=25.26mm
2.顶端棱镜D=23.71mm
3.道威棱镜D=14.8mm
d3=21.92mm
f物=118・4mm
六、系统设计原理图
七、参考文献
教材：
应用光学，李林，北京理工大学出版社
应用光学（英文版），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
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