火炮周视瞄准镜初步设计
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目录
一、火炮周视瞄准镜综述
二、设计要求
三、周视瞄准镜光路的确定及设计
3.1 由设计要求得出的光学系统特点 3.2 火炮周视瞄准镜构造图
四、光学系统的外形尺寸计算 4.1目镜和物镜尺寸
4.2道威棱镜尺寸及渐晕系数的检验 4.3顶部直角棱镜和保护玻璃的尺寸 4.4物镜目镜口径计算 4.5底部直角棱镜尺寸 4.6各光学零件主要尺寸总结
五、光学系统验证 5.1验证出瞳距离
5.2 验证潜望高
六、参考文献
一、火炮周视瞄准镜综述
火炮周视瞄准镜是周视望远镜的一种，是一种潜望镜式的设备。火炮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。这一个特点使火炮周视瞄准镜大量用于军事装备。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。 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。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，观察到四周的景物。
在火炮上装备周视瞄准镜能使操作员更清晰方便地观察远距离目标，并对此作出准确的分析和瞄准，必要时给予目标精确的打击。由于周视瞄准镜采用开普勒式的望远镜，在物镜和目镜之间形成实像，因此可以通过安装分划板，将像与分划板上的刻线进行比较，更加方便地瞄准和测量，给军用带来极大的方便。另外在军用周视瞄准镜中，出瞳距离比较大，便于观察者佩戴防毒面具。为防止射击时撞击头部，有的瞄准镜出瞳距离达到七八十毫米，还要备用软硬适度的眼罩和护额以保证射击手的人身安全。
二、设计要求
光学特性：
视放大率：??3.7? 物方视场角：2??10? 出瞳直径： D'?4mm 出瞳距离：lz'?20mm
潜望高： H?185mm 要求成正像
要求实现俯仰瞄准范围±18° 要求实现水平瞄准范围360° 俯仰和周视中观察位置不变 渐晕系数K=0.5.
三、周视瞄准镜光路的确定及设计 3.1由设计要求得出的光学系统特点
(1)由于火炮周视望远镜用于对远距离目标进行观察，因此它必然是一个望远系统，又因为要对目标距离进行精确测量，所以系统内应加装分划板，这就要求该系统所成的像必须是实像，能够在分划板上显示，所以该光学系统应是开普勒系统。同时为了保护棱镜系统和共轴球面系统，
在镜头处要安装保护镜，可以用保护玻璃来作为保护镜使用。
(2)为了便于观察，系统应该成正像。由于开普勒望远镜成倒像，所以在系统中应该加入倒像系统。
(3)该系统要求镜头能够在水平方向作360°全视，在垂直方向上，要实现±18°俯仰观察，在俯仰观察时，由棱镜转动定理，此时像的方向不会发生旋转，因此两个直角棱镜构成一个具
有单一主截面的棱镜系统，就能满足俯仰观察的要求。
(4)系统要求俯仰和周视中观察位置不变。当棱镜绕经过上端棱镜垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕轴转动时，如果物平面相对主平面不动，像平面亦将随之转动。要求像平面不转就必须使像面产生一个相反方向的转动。由于要求出射和入射光轴方向同向，系统下端使光轴改变90°的棱镜显然不能转动，这样就要加入一个棱镜，利用它的旋转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，当入射和出射光轴平行同向时，此时有
?????
P?xP'?x'?x 代入符号表示式 ??n?1 [A']?[(?1)?P']?[?P] 得 ??n?1[A']?[(?1)?x]?[?x]
当总反射次数n为偶数时
当总反射次数n为奇数时
[A']?[??x]?[?x]?[0][A']?[?x]?[?x]?[2?x]?????由此可知，当入射和出射光轴平行同向，棱镜绕光轴
x转? ，反射次数n为偶数时像不转，
反射次数n为奇数时，像转2?。由此规则可知，在光轴同向的情形下，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。为了满足物像相似，必须把顶端或者底端棱镜中的一个反射面
改为屋脊面。不能将屋脊面加在转像棱镜上，因为转像棱镜的作用是依靠自身的旋转来使像发生旋转，以补偿顶端棱镜旋转造成的像的旋转，使得整个系统的像不动，如果将屋脊面加在其上，则转像棱镜的反射次数是偶数，根据前面的分析可知，当棱镜转动时，像是不动的，不满足条件。综合以上分析及3.1（3）可知，棱镜系统包含一个直角棱镜，一个直角屋脊棱镜和一个转像棱镜。我们可以让直角棱镜作为顶端棱镜，让直角屋脊棱镜作为底端棱镜。由于转像棱镜的反射次数是奇数，考虑到装置的轻便性和光能的利用率我们采用道威棱镜。 （5）考虑到物镜和目镜之间的距离不会很大，因此选择将物镜置于道威棱镜和底端屋脊棱镜之间。如果将物镜置于道威棱镜和顶端棱镜之间，由于道威棱镜有一定的尺寸，且道威棱镜和底端棱镜之间还有一定的距离，这时的目镜和物镜相隔的距离会过大，即使距离满足要求，也会因为目镜离底端棱镜太近而造成镜片的磨损，不便于观察；如果将物镜置于底端棱镜之后，那么底端观察镜筒长度就要增加，这样就使得装备重量加大，不便于携带，另外光路过长也会对观察带来不便。
3.2火炮周视瞄准镜构造图
综合以上原理分析，我们可以大概描绘出该周视瞄准镜的构造图如下图所示：
四、光学系统的外形尺寸计算 4.1目镜和物镜尺寸
根据瞄准镜视场角的要求，可以选用双胶型物镜，根据对出瞳距离的要求，可以选用对称型目镜。因为大的出瞳直径不易于人眼观察且会使光能分散导致市场变暗，已知系统视放大率为
Dtan????可得tan?????tan?，代入??3.73.7，物方视场角2??10，由视放大率公式：??D?tan?????20mm。因为和??5可得???17.9372，则像方视场角为2???35.8744，系统要求的出瞳距离为lz?lz2??20mm可得f目??26.7mm，对称型目镜光学特性为：?，由lz为方便计算，我们取目镜焦距为30mm
?3f目由于选取系统的出瞳直径为D’=4mm, 由??3.7?得 D=14.8 mm 目镜焦距为30mm，故物
镜焦距为111mm。物镜的相对孔径为0.133。
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4.2道威棱镜尺寸及渐晕系数检验
因为在整个光学系统中，道威棱镜的体积和重量最大，因为系统不可能有太大的体积和重量，所以我们选用道威棱镜作为系统的孔径光阑，由于已知D=14.8mm取道威棱镜的铜光孔径为15mm，采用K9玻璃，n=1.5163，计算可得可以得