火炮周視瞄準(zhǔn)鏡的光學(xué)設(shè)計
[((;+B 83;NIE; I^ oE4o 一、火炮周視瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算任務(wù)書
D")_;NLE1 １、光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)要求
}g$ (+1g ２、設(shè)計計算內(nèi)容
V([~r, 二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
sXd8rj: o １、共軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
SP|< Tny ２、平面鏡棱鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
mxb06u _ ３、棱鏡轉(zhuǎn)動定理
.VTy[|o ４、共軸系統(tǒng)和棱鏡系統(tǒng)的組合
_+
.\@{c 三、光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算
9-] i.y １、確定物鏡的形式和相關(guān)參數(shù)
e</$ s ２、確定目鏡的形式和相關(guān)參數(shù)
F :6SPY
y ３、道威棱鏡相關(guān)參數(shù)
0* /{4)r ４、端部棱鏡和保護(hù)玻璃的相關(guān)參數(shù)
"5eNLqt ^q ５、確定物鏡口徑
0i8LWX_M ６、確定目鏡口徑
-hkQ2[Ew# ７、底部屋脊棱鏡、分劃板的外形尺寸計算
C> [ Uvc ８、分劃板的外形尺寸計算
`vc
"Q/ ９、演算出瞳距離和潛望高
9CCkqB/ １０、各光學(xué)零件主要尺寸總結(jié)
7LO%#No", lN9=TxH1(; U^qt6$bK 一 光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)要求
*>VVt8*Et 1.光學(xué)特性:
lV.F,3 視放大率 Γ=3.7×
Ela-,(Glk 物方視場角 2w=10°
Yq(G;mjM 出瞳直徑 D'=4mm
!"+'A)Nve 出瞳距離 lｚ'≥20mm
V7TVt,-3 2.潛望高 H=185mm
e@ {i 3.要求成正相
F@R1:M9* 4.光學(xué)系統(tǒng)要求實現(xiàn)俯仰瞄準(zhǔn)范圍±18°
c\% r 38 光學(xué)系統(tǒng)要求實現(xiàn)水平瞄準(zhǔn)范圍360°
ORu2V# Z[ 5.俯仰和周視中觀察位置不變
&qS[%K ) 6.漸暈系數(shù)K=0.5.
W cC?8X2 8 EVgoJ. I |# 5NE6 _ gD
pKEaY 5s{ABJ\@V }8;[O
9 XJ2^MF2BU `GXkF:f= !Ci~!)$z6 <L&m4O#|
^Q&u0;OJ 二 設(shè)計計算內(nèi)容
w1UA?+43 １、擬定光學(xué)系統(tǒng)的工作原理:
Bo5ZZY 擬定光學(xué)系統(tǒng)原理，望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡、目鏡、分劃板、保護(hù)玻璃，形成潛望高、俯仰、周視，選用棱鏡,利用棱鏡轉(zhuǎn)動定理確定道威棱鏡的轉(zhuǎn)動方向。
.'a&3 3J ２、光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算:
~Y.tz`2D 選擇物鏡,目鏡的結(jié)構(gòu)形式,計算有關(guān)參數(shù):相對孔徑D'/f',焦距f',物方像方視場角ω, ω'.
r[?1 計算道威棱鏡尺寸.
b=3H 計算端部棱鏡,保護(hù)棱鏡尺寸.
C{2xHd/* 計算底部棱鏡和分劃板尺寸.
M4xi1M#% 物鏡目鏡尺寸計算.
= !m}xdTP 驗算出瞳距離和潛望高.
)F b>8<% m[k_>e\ u 一．設(shè)計原理
P] z[v) } 1．由于系統(tǒng)用于對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行觀察，具有的視角放大率，因此它必然是一個開卜勒望遠(yuǎn)鏡，要使用正光焦度的物鏡和目鏡。
#2iD'>bQ 為了便于觀察，系統(tǒng)應(yīng)成正像，所以必須加入倒像系統(tǒng)。
y,pZTlE 由于系統(tǒng)要求有一定的潛望高度，所以可以采用兩個使光軸改變90°的棱鏡或平面鏡，但平面鏡的安裝，固定十分困難，而且所鍍的反光膜易變質(zhì)，脫落，還會在反射時造成百分之十左右的光能損失，所以用平面鏡進(jìn)行反射并不理想，而棱鏡則可以克服這些缺點，所以采用兩個使光軸改變90°的棱鏡形成潛望高。考慮到系統(tǒng)的簡單易攜性，兩個棱鏡都選用直角棱鏡。
Y'e eA 2O 為了在水平面和垂直面改變光軸的方向，可以在光軸上端O1點的直角棱鏡繞水平和垂直軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)棱鏡繞經(jīng)過O1點的垂直于主截面的水平軸轉(zhuǎn)動時，像的方向不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)棱鏡繞O1O2軸轉(zhuǎn)動時，如果物平面相對主截面不動，像平面也將隨之轉(zhuǎn)動。如果要求像平面不轉(zhuǎn)，就必須使像面產(chǎn)生一個相反方向的轉(zhuǎn)動。這樣就必須加入一個棱鏡，利用它的轉(zhuǎn)動來補(bǔ)償像平面的轉(zhuǎn)動，而不使光軸的方向改變。根據(jù)棱鏡轉(zhuǎn)動定理，加入的棱鏡反射次數(shù)應(yīng)該為奇數(shù)，再考慮系統(tǒng)的輕便性，選擇了道威棱鏡。同樣根據(jù)棱鏡轉(zhuǎn)動定理，道威棱鏡的轉(zhuǎn)動角度為O1處的直角棱鏡轉(zhuǎn)動角度的一半，且兩者的轉(zhuǎn)動方向相反。
C ;(t/zh 目前的倒像系統(tǒng)中的頂端直角棱鏡和道威棱鏡的反射次數(shù)之和為偶數(shù)。加上底端棱鏡，系統(tǒng)成鏡像，故可考慮選擇其中一個棱鏡為屋脊棱鏡，這里選底端直角棱鏡為屋脊棱鏡。
@(C1_ 考慮到物鏡和目鏡之間的距離可能不是很大，所以把物鏡放在 道威棱鏡和底端屋脊棱鏡之間。
#Wu*3&a]yU 注：棱鏡轉(zhuǎn)動定理：
M@W[Bz I7^zU3]Ul 當(dāng)棱鏡位在平行光路中時,只需要考慮像的方向;如果在非平行光路中工作,則既要考慮像的方向,也要考慮像的位置.如圖,假設(shè)P為表示棱鏡轉(zhuǎn)動方向和位置的單位向量,P’為P在像空間的共軛像,它也是一個單位向量.θ為棱鏡的轉(zhuǎn)角,它的符號規(guī)則是,當(dāng)對著轉(zhuǎn)軸觀察時,逆時針為正,順時針為負(fù).n為棱鏡的總反射次數(shù).
@ |'5 n (2)棱鏡轉(zhuǎn)動定理可表示如下:假設(shè)物空間不動,棱鏡繞P轉(zhuǎn)θ,則像空間首先繞P’轉(zhuǎn)(-1) n-1θ,然后繞P轉(zhuǎn)θ.可以表示為:
"*O4GPj [A’]=[(-1) n-1θP’]+[θP]
WL{(Ob [θP]只是一個表示有限轉(zhuǎn)動的符號,而不是一個向量.[A’]是作為像空間轉(zhuǎn)動狀態(tài)的一個符號,沒有特別的含義.
ZIdA \_c 根據(jù)符號的定義，以下兩種關(guān)系顯然成立：
!;_H$r0 [θ1P]+[θ2P]=[（θ1+θ2）P]
cwV]!=RtO [θ（-P）]=[-θP]
BPr ^D0P c)0amM <LRey%{q 二．系統(tǒng)外型尺寸的計算
jjM{] 選擇物鏡，目鏡的結(jié)構(gòu)型式，計算相關(guān)參數(shù)D/f’，f’：
ZtHm\VTS 物方視場角 2ω=10°
fqu}Le ∵tgω'=τ×tgω=3.7×tg5°=0.324
/k"`7`! ∴ω'=17.94° ∴2ω'=35.52°
:R.&`4=X 因為出瞳距離l’z要不小于20mm，所以應(yīng)該選一個長出瞳距離的目鏡，同時考慮到是瞄準(zhǔn)儀器，所以選用對稱目鏡較為合適。
sdCvG R e 因為對稱目鏡l’z/f’目≈3/4，而且l’z≥20mm，所以f’目＞27mm�？紤]到長出瞳距離對觀察并無影響，所以取f’目=30mm。
}h 3K@R
∵τ= f’物/ f’目
}K hjlPhx ∴f’物=3.7×30=111mm
<W]g2>9o9 因為出瞳直徑D’=4mm，根據(jù)τ=D/D’， 所以入瞳直徑為：D=3.7×4=14.8mm。所以物鏡相對口徑D/f’物=14.8/111=0.13。
=+w*gDr 根據(jù)物鏡焦距和相對口徑選用雙膠物鏡較合適，而且物方視場角2w=10°也滿足雙膠物鏡的視場要求。
21RP=0 Q: 道威棱鏡的尺寸：
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_V0 R\k 因為道威棱鏡的體積在系統(tǒng)中最大，考慮到系統(tǒng)的總體積，重量不可過大，所以選擇道威棱鏡作為系統(tǒng)的孔徑光闌。取道威棱鏡的通光口徑為D=15mm。道威棱鏡采用K9玻璃，所以a=D/0.334=44.91mm。其中a為道威棱鏡展開成玻璃板后，沿光軸方向的斜高度。其相對空氣層厚度為Ea=44.91×0.8/1.5163=23.69mm。
T;L>P[hNn ∴d2=44.91×1.414=63.52
WL+]4Wiz TPhTaKCio XlI!{qj| ３、計算道威棱鏡漸暈系數(shù)：
>R /$1e1Y ∵l1=Ea×1.414=23.69×1.414=33.5mm
.d/: 30Y l2=15mm
1
y} 2+Kk ∴l(xiāng)1+l2=33.5+15=48.5mm
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