火炮周视瞄准镜的初步设计方案

火炮周视瞄准镜的初步设计一光学系统的技术参数（1）在水平方向周视360°，目镜不动。（2）测角范围：方向角360°，测角精度010，高低角18°，角精度0-02。（3）观察距离3km左右。（4）观察范围：物方视场2不小于7°。（5）潜望高度：H不小于190mm（6）出瞳距离：不小于20mm（7）尺寸限制：瞄准镜之镜筒外径均匀，最粗处不超过30mm（中部方向机构除外）。（8）像质清晰，像倾斜不超过1°（9）视放大率：Γ=10×（10）渐晕系数：K=0.5.二设计原理1.周视瞄准镜概述：在军事上为搜索目标，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。当然，这种具有扫描功能的望远系统也可应用在某些测量仪器中。周视望远系统可分为二种类型：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。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。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。周视瞄准镜是采用差动轮系实现直角棱镜与道威棱镜绕同一轴旋转，两者之速比为1：2，并在传动过程中保持速比恒定。差动轮系由上太阳轮，下太阳轮和行星轮组合而成，它是一个复杂轮系。从机械原理可知，采用传动机构可以证明，当下太阳轮不固定不动时，上太阳轮之角速度与道威棱镜之角速度之比为2：1，上太阳轮与直角反射棱镜连成一体，所以能够实现上述要求。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。为了便于观察，系统应成正像，所以必须加入倒像系统。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。O1O2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。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。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。注：棱镜转动定理：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PP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.(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:[A’]=[(-1)n-1θP’]+[θP][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.根据符号的定义，以下两种关系显然成立：[θ1P]+[θ2P]=[（θ1+θ2）P][θ（-P）]=[-θP]三系统外型尺寸的计算1选择物镜，目镜的结构型式，计算相关参数D/f’，f’：物方视场角2ω=7°∵tgω'=τ×tgω=10×tg3.5°∴ω'=31.5°∴2ω'=63°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。因为对称目镜l’z/f’目≈3/4，而且l’z≥20mm，所以f’目＞27mm。由于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，从而获得较好的成像质量，另外，出瞳距离大一点对仪器的使用只有好处。所以取f’目=35mm。∵τ=f’物/f’目∴f’物=10×35=350mm因为出瞳直径D’=4.5mm，根据τ=D/D’，所以入瞳直径为：D=10×4.5=45mm。所以物镜相对口径D/f’物=45/350=0.13。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=7°也满足双胶物镜的视场要求。2道威棱镜的尺寸：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。∴d2=44.91×1.414=63.52３计算道威棱镜渐晕系数：∵l1=Ea×1.414=23.69×1.414=33.5mml2=15mm∴l1+l2=33.5+15=48.5mm∴DW=D-(l1+l2)×tg3.5°=15-48.5×tg3.5°=12.03mm∴渐晕系数为KD=DW/D=12.03/15=80.2％４计算顶端棱镜尺寸：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。所以顶端棱镜的相当空气层厚度为：E=D/1.5163=0.66D由图可得到关系式：(D-15)/2=(0.66D+50)×tg3.5°从而可以得到顶端棱镜尺寸为D=18.77mm.。５保护玻璃尺寸：取保护玻璃和顶端棱镜的距离为10mm。保护玻璃口径为：D’=(0.66D+50+10)×tg3.5°×2+15=23.55mm。６计算物镜口径：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。∴道威棱镜和物镜的距离为d3=15/tg3.5°/2-63.52=59.10mm７计算目镜口径：D=2×(f’目+f’物)×tg3.5°=2×(350+35)×tg3.5°=47.09mm８计算底端棱镜和分化板尺寸：Ａ、底端棱镜的尺寸。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。∵d4=200-63.52-59.10-50-18.77/2=17.995mmα’=arctg(350×tg3.5°-15/2)/350=2.28°∴可由图得关系式：d4-D/2=(D/2-15/2)/tgα’∴D=15.81mmＢ．分划板的尺寸：D=350×tg3.5°×2=42.81mm９验证出瞳距离和潜望高：A.验证出瞳距离：h=350×tg3.5°=21.41mmα=arctg(h/30)=arctg(21.41/30)=35.51°β=arctg(42.81/2-15/2)/350=2.28°h’=42.81/2-30×tgβ=20.21mmh0=(47.09/2+h’)/2=21.88mm∴l’z=21.88/tgα=30.66mmB.验证潜望高H=d1+d2+d3+d4=200mm五分划板刻度的划定取直径为1m的标靶，每200m的地方各放置一个，排成一条直线，共放置10个，用瞄准镜观察，在靶心处于瞄准镜中央竖直直线上时，做下记号，则此点即是相应距离上的准心，横线宽度为标靶在相应位置上的直径，横向刻度为密位刻度，每小格表示2个密位。如图所示：六系统原理图参考资料1)《瞄准仪器原理与设计》，王中民蔡俊春孙培加编著，北京理工大学出版社出版2）《应用光学》（第四版），李林主编，北京理工大学出版社出版3）《光电技术》李世祥主编，国防科技大学出版社出版4）《精密机械设计》，田明冯进量白素平主编，北京大学出版社出版