精密机械设计基础 课程设计任务书
2010级光电信息类专业实验班
一、题目：单管微光夜视仪结构设计
二、光学系统：
1．光学系统图：见图纸1
2．光学零件图：见图纸2
三、技术性能与要求
1．本单管微光夜视仪是用于夜间远距离观测的一种手持式仪器，要求其体积小、重量轻，便于携带，并按技术要求，完成必要的功能设计；
2．光学系统的放大倍率为3.5倍；
3．调焦范围为1m~∞；
4．视度调节范围为±5个视度，并显示视度值，格值为1个视度；
5．调焦及视度调节应在3600范围内完成；
6．本仪器之物镜筒及目镜筒应能防脱，
7．本仪器之物镜及目镜应具备防杂光功能。
四、设计任务
1．仪器装配图一张；
2．仪器零件图一张：目镜筒零件图；
3．设计说明书一份（字数不低于5000字），要求有概述、有计算说明、有结论、有心得、有致谢及参考文献；
4．参考文献：自定；
5．时间：2012年12月29日~2013年1月10日
2013年1月10日下午答辩交论文
学号成绩
学生指导教师
摘要
微光夜视技术作为主要为夜战服务的军用光电子高新技术，其在现代高新技术局部战争和夜战中的作用和地位变得更加突出和重要。本篇课程设计说明首先微光对微光夜视仪的结构、原理等进行概述，然后通过具体的计算确定物镜、目镜的各个参数，最后本人再对此次设计说明做一总结。
关键词：微光夜视仪物镜目镜调焦环螺纹视度焦距
目录
本说明书的技术要求 (2)
摘要 (3)
1.概述 (5)
1.1微光夜视仪的发展背景与分类 (5)
1.2微光夜视仪的工作原理 (6)
1.2.1工作原理 (6)
1.2.2光学结构原理 (6)
1.3微光夜视仪系统结构中光学零件的固定 (7)
1.3.1圆形零件的固定 (7)
1.3.2非圆形零件的固定 (7)
1.3.3光学零件的胶结固定 (7)
1.3.4光机结构的密封 (8)
1.3.5光机结构的干燥 (8)
1.3.6消杂散光 (8)
2.确定相应参量的计算说明 (8)
2.1微光夜视仪物镜组结构参数的计算（调焦环参数计算） (9)
2.2微光夜视仪目镜组结构参数的计算 (9)
3.本次课程设计心得体会 (10)
4.致谢 (11)
5.参考文献 (11)
1.概述
1.1微光夜视仪的发展背景与分类
微光夜视技术是建立在物理学、工程光学、电子学、电子光学、仿生信息科学、生物视觉光学以及红外线、热成像、激光、半导体光敏材料和光电器件等现代科学和技术手段的基础上发展起来的新技术。其中微光夜视技术对于军事和国防有着特别的重要意义。例如，微光夜视仪器已成为部队需要的常规装备之一它能使部队适应夜晚黑暗环境下，不须用人工照明就可以在黑夜里看清目标和景物，获得夜间行动和作战的自由。除此之外，微光夜视技术还应用于天文学、高速现象的记录、特殊核物理记录、医学诊疗、海洋探查、导航、动物学、冶金、地质学以及交通管理等。在工矿和交通部门从事夜间野外作业或在浓雾中或在严格的环境下从事各种工作的人员，更渴望配上夜视眼镜[]1。
人眼在正常条件下是一个高灵敏、细分辨和快响应的多功能优良器件。白天，人眼能分辨0.15mrad的高反差目标。但是在微光条件下，眼睛就只具有非常有限的性能，即看不远、分不清和响应慢，只能分辨15mrad以上的目标。因此，人们一直致力于研究人眼如何克服茫茫黑夜所造成的黑暗障碍，达到使人眼昼夜通明可见的最终目的[]2。
夜视技术大致分类如表1[]3：
表1夜视仪分类
20世纪40年代研制成功的主动式红外夜视仪是夜视仪的鼻祖，它的出现使人类第一次看到黑暗中的目标。主动式红外夜视仪成像清晰，对比度好，但由于需要红外光源照射，存在着能耗大，易暴露的缺点。微光电视是工作在微弱照度条件下的电视摄像和显示设备，故也叫低光照度电视。它是微光像增强技术、电视与图像技术相结合的产物。
1.2微光夜视仪的工作原理[]4[]5
1.2.1工作原理
微光夜视仪系统如图2所示，其结构主要由两部分组成：一部分是光学系统，包括目镜和物镜；另一部分是像增强器即光电转换放大部分，包括像增强器及其必须的高压电源(目前，多数的像增强器已经将电源集成，封装一个壳体内)。
图2 微光夜视仪的工作原理
目标将夜间微弱的自然光(如月光、星光、大气辉光等夜天光)反射，目标反射的夜天光被物镜组收集，成像于像增强器的阴极面上，经像增强器电子光学系统光电倍增放大的作用，在荧光屏上得到亮度增强数万倍的图像，实现光学图像到电子图像再到光学图像的转换及亮度的增强。增强了亮度的光学图像，再经过目镜放大，被人眼用于直接观察。
1.2.2光学结构原理
微光夜视仪光学系统基本构成如图3所示。通常由物镜、像增强器、目镜三部分组成。
图3微光光学系统的结构
其光学结构原理为：观察目标反射的夜天光(星光、月光、极光等)被微光物镜所接收，并被聚焦在像增强器的阴极面上，在阴极面上形成被观察目标的倒立像。在阴极面上发射的光电子，经过电子聚焦，轰击荧光屏上的荧光粉，在荧光屏上形成被观察目标的正像。再经过目镜放大，被人眼所接受，人眼也是微光的一部分。
1.3微光夜视仪系统结构中光学零件的固定
光学仪器中光学零件的固定方法很多。按光学零件的外形可分为圆形(透镜、分划板、滤光镜和圆形保护玻璃)和非圆形(棱镜、反光镜)两种[]6 1.3.1圆形零件的固定[]7
在镜框内固定圆形光学零件，首先应使通光口径尺寸不受镜框切割;其次保证光轴与机械轴同轴；尤其零件固定应做到连接可靠、结构紧凑、制造擦拭和装校方便，另外为避免像质变坏和损坏光学零件，对光学零件不可压得过紧。对本文的野外使用的微光夜视仪，还必须考虑到密封性，耐高低温，因为该仪器用于单兵作战，所以可以忽略冲击和震动负荷。
由于本文光学系统各零件均小于40mm，所以优先采用压圈法固定部分圆形光学零件，用外螺纹压圈及内螺纹压圈固定，还可以保证微光夜视仪结构的密封性。
1.3.2非圆形零件的固定[]8
固定非圆形光学零件时应注意：
a.尽可能选取光学零件的非工作面为压紧面；
b.与光学零件相接触的金工件表面必须平整，其光洁度不得低于▽6；
c.不得用尖角、锐棱固定光学零件，以防止后者变形，导致像质变坏，甚至使光学零件破裂；
d.固定元件与棱镜接触处应在有效通光口径以外；
e.尽可能不用软木、纸片等有机材料与光学零件接触，以防止光学零件生霉，在不可避免使用上述材料时，应用防霉剂处理；
f.非圆形光学零件应在装校时调校方便。
结合本文所用到的棱镜及反射镜外形、其在光学系统中的作用及微光夜仪的使用条件，本文固定反射镜和棱镜用的是压板等。
1.3.3光学零件的胶接固定[]9
本文还有部分零件的连接采用了胶接的方式。与其他形式的连接(如铆接、焊接、螺栓连接)相比，胶粘有很多优点：
a.简化结构，减轻重量；
b.可胶粘多种金属、非金属材料事“而其中很多材料的连接是用其他方式连接难以达到的；
c.胶接处应力分布均匀，避免了铆、焊、螺栓连接存在的应力集中现象。这对光学件减少固定应力，提高像质有很大意义；
d.胶接有密封、绝缘、耐腐蚀的特性；
e.工艺简便。
为了获得良好的粘接强度，粘接件要进行表面处理。先是机械处理法
除去表面锈污，然后用溶剂擦拭，除去油脂、水分。
1.3.4光机结构的密封
由于本文所研究的微光夜视仪是野外使用的光学仪器，所以密封显得尤为重要。光学仪器密封的目的就是要防止外界灰尘、水蒸气、雨水等进入仪器内部，损害光学零件，同时可防止外界温度急骤变化时光学零件表面结霜[]10。
微光夜视仪的外界温度是经常变化的。温度的变化必然引起光学仪器内部与外界的大气压差。这样，在仪器内部与外部形成气体对流。因此，对光学仪器进行完全密封是不可能的。密封的作用就是减慢气体对流的速度，使仪器本身的干燥设备来得及将进入其内部的水蒸气吸收。
为保证仪器密封性，有以下方法：
a.在光学仪器外部光学零件与结构零件、结构零件之间的连接处，应用弹性垫圈、密封蜡封严[]11。
b.光学仪器镜座、壳体等不能有裂纹、气孔；
c.在光学仪器外部壳体上不要制通孔；
d.露在仪器壳体外部的转动零件应配有密封圈。将转动零件配合部分的轴向尺寸选择得长些，配合间隙选得小些。
本文使用了一种精密的人造橡胶密封垫以及O形圈，就可以很容易地实现环境密封，在同一个镜座或者壳体中可以安装多个元件。
1.3.5光机结构的干燥
因为仪器中有高压电源，而对仪器进行完全的密封是不可能的。因此，仪器应设有干燥设备对仪器内部予以干燥。本文选用充氮设计，以消除过量湿气[]12。
1.3.6消杂散光
杂散光主要是由光线在仪器壳体内壁以及光学零件的表面反射时，产生的散射光线造成的，它是影响光学仪器成像质量的重要因素之一。在设计仪器的机械结构时，必须注意限制杂光进入成像空间，以提高仪器质量壳体内壁消除杂光的措施：对于圆柱形镜筒内壁，壳体内壁与光学零件的非工作面上，喷涂无光黑漆。透镜圆柱面上的漆层应薄而均匀，漆层厚约为0.02mm，漆层厚度不一致是造成透镜与镜框逐个配制的原因。漆层厚薄不均匀，常常破坏透镜中心的精度。
2.确定相应参量的计算说明
微光夜视仪结构系统的技术性能及要求
（1）本单管微光夜视仪是用于夜间远距离观测的一种手持式仪器，要求其体积小、重量轻，便于携带，并按技术要求，完成必要的功能设计；
（2）光学系统的放大倍率为3.5倍；
（3）调焦范围为1m~∞；
（4）视度调节范围为±5个视度，并显示视度值，格值为1个视度；
（5）调焦及视度调节应在3600范围内完成；
（6）本仪器之物镜筒及目镜筒应能防脱，
（7）本仪器之物镜及目镜应具备防杂光功能。
2.1微光夜视仪物镜组结构参数的计算（调焦环参数计算）[]13
调焦机构应满足以下要求；
1)为了像面保持稳定，调焦机构要能够自锁；
2)为了方便控制，调焦机构的精度要足够高；
3)调焦机构要满足调焦范围要求；
4)调焦机构的稳定性要有保证。
在物镜结构中，要求实现从1m 到无穷远的调焦；首先对调焦量进行
计算：
由高斯公式得到物像关系式为：
'1
1
'1
f l l =- (2.1)
式中：'l -像距（单位mm ）；
l -物距（单位mm ）；
'f -物镜焦距，实际计算值为78.560mm 。
当物距为1m 时，由公式2.1得：
'l =85.258(mm)
同理，当物距为∞时，计算得像距得：
l =78.560（mm ）
因此要求的调焦量为:
S=85.258-78.560=6.70(mm)
同时，为使作战人员在最短的时间内清晰地捕捉到目标，军品要求调
焦环在转动不到一圈的范围内达到所需要的调焦量，因此该机构采用大螺
距矩型螺旋槽式内调焦螺旋传动。
计算如下：
θπ2np
l = （2.2）
式中：l -螺杆（或螺母）的移动距离；
n -螺旋线头；
p -螺距；
θ-螺杆（或螺母）移动的角度。
当θ=360°时，即螺杆(或螺母)转动一圈，螺杆(或螺母)的移动距离为
此时，S=l =6.70mm, 令n =4 p =2 ,代入式 2.2中得螺距
θ=301.50 即当调焦环转过301.50时，可满足调焦量的要求。
2.2微光夜视仪目镜组结构参数的计算
[]14
由于每个人的视度都是不同的，为了保证每位操作者能够按着自己的
视度清晰地观察目标，一个目镜应有单独的调焦功能，可以调整由调焦造
成的视度差，从而适应不同使用者的眼睛。
视度分划圈上的分划值，可以按式2.3计算:
D np f
100036020‘目
=β (2.3)
式中：D -视度； β-D 个视度时分划圈的角度；
f '
目-目镜的焦距（毫米）
； t -多头螺纹的螺距(毫米);
n -多头螺纹的头数。
视度调节范围希望在限制在一周以内，即β应小于360°。一般取
β=270°
或320°。 本文在目镜光学系统结构中设计一个视度调节环，实现从－5屈光度
到+5屈光度的调节要求。在该调节机构中也同样采用大螺距矩型螺旋槽
式内调焦螺旋传动，以保证操作者能在短时间内达到调节目的。通常要求
调节环(即视度圈)在转动不到一圈内完成调节任务。根据公式2.3计算如
下：
当D=+5屈光度时，βnp =+798.57(度·毫米)(顺时针旋转）；
当D=－5屈光度时，βnp =－798.57(度·毫米)（逆时针旋转）；
其中，f '
目为目镜焦距，为21.060mm 。
所以，当D=1个视度时，βnp =159.7(度·毫米)；
取n=4, p=1.5 得到 β=26.60
由于目镜每转过一个视度时，轴向移动过的距离是0.44mm ，
所以 由（2.2）式，得：βnp =158.4（度·毫米）；
当取n=4, p=1.5 得到：
β=26.40，小于360，满足设计要求。
即目镜系统螺纹n=4，p=1.5 ，β=26.40
即在264°范围内就可达到调节量的要求。
3.本次课程设计心得体会
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关精密机械设计基础的
知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一
遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识
欠缺和经验不足。实践出真知，在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断修改光学系统图和零件图。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料
了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。我们是在做精密机械课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：CAD制图、工程光学、光电原理、光电成像等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
4.致谢
在此设计说明书完稿之际，感激之情油然而生。本次课程设计是在西安工业大学高明教授的悉心指导下完成的，在此我对高老师的耐心辅导表示由衷的感谢。同时，我要谢谢所有我们班的同学，他们真诚的帮助和真挚的友情令我感动。我也深深地感谢我家人，是他们给予我精神上的动力和工作上的帮助。由于本人学识有限，对知识的融会贯通方面还存在生涩之处，文章难免有不妥之处，敬请老师批评、指正。
再次感谢帮助和支持我的人!
5.参考文献
【1】艾克聪微光夜视技术的进展与展望(西安应川光学研究所，西安710065)，2006
【2】李朝木微光夜视——夜战的眼清(南京电子器件研究所，南京210016)
【3】邓大政硕士学位论文单兵、特种车辆微光夜视仪(单管单目)的设计（南京理工大学，南京），2008
【4】刘欣硕士学位论文大试场微光夜视仪光学系统设计（西安工业大学，西安TH754），2010
【5】刘钧，刘欣微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计(西安工业大学光电工程学院，西安710032)，2009
【6】Luc Arnold. Uniform load and actutor influence factions of a thin or thick annular mirror: application to active mirror support optimization.
Applied optics, 1996,35(7):10951106
【7】Tina M valente, Ralph M Richard. Analysis elastomerlens.mountings.
SPIE,Optomechanics and Dimensional Stability,1991，1533:2126 【8】Ryszard J Pryputniewicz. A hybrid approach to deformation analysis.
SPIE,Photomechanics, 1994, 2342:282287
【9】Thomas Dresel, Mathias Beuerlein, Johnnes Schwider.Design of computer-generated beamshaping holograms by iterative finite-element mesh adaption. Applied optics,1996, 35
(35):68656874
【10】Saeed Moaveni, ((Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS,Second Edition))，电子工版社
【11】《光学仪器设计手册》编辑组，《光学仪器设计手册》下册【M]，北京:国防工业出版社，1987.
【12】龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京:机械工业出版社，2003
【13】张博硕士学位论文基于有限元分析的微光夜视仪的结构优化设计(西安工业大学，西安TB115),2010
【14】张云熙微光夜视仪的放大率公式(北京长城光学仪器厂)