火炮周视瞄准镜初步设计姓名：***班号：04111202学号：**********专业：测控技术与仪器目录一、综述 (4)二、光学系统的技术要求 (4)三、根据要求拟定光学系统的工作原理 (5)1、光学系统的基本形式 (5)2、光学系统的基本结构 (5)3、系统潜望高的形成 (5)4、俯仰和周视范围的确定 (6)5、共轴系统和棱镜系统的组合 (8)6、孔径光阑位置、物镜位置的选定 (8)四、光学系统的外形尺寸计算 (9)1、目镜的设计 (9)2、物镜的设计 (10)3、分划板的尺寸设计 (11)4、系统中光学零件的外形尺寸设计 (11)(1) 道威棱镜外形尺寸的计算 (11)(2) 物镜通光口径的计算 (14)(3) 顶端直角棱镜尺寸、保护玻璃尺寸的计算 (14)(4) 屋脊棱镜尺寸的计算 (16)(5) 目镜通光口径的计算 (17)5、验证系统参数 (17)(1)验证出瞳距离 (17)(1)验证潜望高 (18)五、设计的光学系统的参数 (18)六、系统设计图示 (19)七、参考书目 (19)附录棱镜转动定理 (20)1、目的 (20)2、棱镜转动定理 (20)3、定理证明 (22)一、 综述周视瞄准镜是一种比较特殊的潜望式瞄准镜，观察者可以通过它来观察周围环境，而不用直视被观察的物体。
射击手可以在不改变自己位置的前提下选择不同方位的瞄准点，从而避免了射击手为观察不同方位而不停转动头部引起的头晕恶心。
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。
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。
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，做出确的分析和瞄准，给予目标精确的打击。
二、光学系统的技术要求光学特性：视放大率： 3.7Γ=⨯ 物方视场角： 210ω=︒ 出瞳直径： '4D mm = 出瞳距离： '20z l mm = 潜望高： 185H mm = 要求成正像光学系统要求实现俯仰瞄准范围±18°光学系统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=0.5.3.7倍视放大率—能获得较好的观察精度4mm的出瞳直径—能在夜间观察时，仍能获得较好的视场潜望高为185mm—能使瞄准者不被对方发现，有较好的隐藏效果出瞳距离至少20mm—能保证该装置在军事领域的使用，保证瞄准手在佩戴防毒面具等装置后仍能使用该装置水平瞄准范围和俯仰瞄准范围分别为360°和±18°—考虑到仪器的制作和使用的需求三、根据要求拟定光学系统的工作原理1、光学系统的基本形式：望远系统；由于系统用于对远距离目标进行观察，具有较大的视角放大率，且可以安装分划板，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。
2、光学系统的基本结构：物镜、目镜、分划板、保护玻璃保护玻璃可以对系统起到密封的作用，分化板上刻线后可以进行测量和读数物镜和目镜的选择需保证像差小，分辨率高3、系统潜望高的形成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。
这样既可以克服较大的光能损失，又便于安装。
因此，系统将采用两块直角棱镜。
4、俯仰和周视范围的确定。
为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，可以在光轴上端O1点的位置安置一个直角棱镜，使之绕水平和垂直轴转动。
当棱镜绕经过O1点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，像平面亦将随之转动。
我们要求像平面不转，必须使像面产生个相反方向的转动。
由于要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90°的棱镜显然不能转动。
这样就必须加入一个棱镜，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。
根据前面的规则，在光轴同向的情形，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。
因此必须在系统中加入下列性能的棱镜：0°-1; 0°-3; 0°-5下图为可以采用的组合：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，并且整个系统的入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜在同一主截面内的反射次数应为奇数。
故可采用一个90°-1的直角棱镜，但成“镜像”。
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。
考虑系统的轻便性，选择了道威棱镜。
道威棱镜的入射面和光轴不垂直，必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间。
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。
故道威棱镜应放在物镜的前面。
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α，然后把棱镜2按相反方向转α/2，即可补偿像的旋转。
换句话说，棱镜2的转角应为棱镜1的转角的一半。
5、共轴系统和棱镜系统的组合为了便于观察和瞄准，要求系统应成正像，可以考虑加入倒像系统。
由于系统要求有一定的潜望高度，所以可以考虑必须加入透镜式倒像系统，为了减小光学零件的口径也可以考虑加入场镜。
因此共轴系统中可以包括包括物镜，目镜，一对倒像透镜，场镜。
但是限于设计的简便性，本装置中我们不考虑。
6、孔径光阑位置、物镜位置的选定由于端部直角棱镜要俯仰，所以共轴系统和棱镜系统的组合必须在共轴系统物镜前面的平行光束中，另外道威棱镜的入射面和光轴不垂直，也必须在平行光束中，它可能的位置有两个，一个是在物镜的前面，另一个是在两个转像透镜组之间，由于道威棱镜在相同的通光口径下尺寸比其它光学零件大得多，因此应把孔径光阑选在道威棱镜上，另外，要尽可能的减小两个棱镜的通光口径，最好使斜光束的主光线通过棱镜中心，也通过道威棱镜中心，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，物镜应位于底端屋脊棱镜与道威棱镜之间。
四、光学系统的外形尺寸计算1、目镜的设计（1）目镜的光学特性包括：1）视场角大，这是其显著特点，通常的目镜都在40°左右，广角目镜在60°左右，特广角目镜甚至超过100°2）相对孔径小，一般小于1：5；3）焦距较短，一般在15-30㎜左右4）入瞳和出瞳远离透镜组，这就意味着轴外光束在透镜组上的投射高很大，目镜尺寸会增加。
（2）目镜的结构型式，及有关特性参数目镜的视场为tgω'=Γ×tgω根据系统光学特性的要求。
将Γ=3.7×，物方视场角2ω=10° ，代入上式，得目镜的视场角为tgω'==Γ×tgω=3.7×tg5°=0.324ω'=17.94° 2ω'=35.88°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。
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 2ω'=65°—72°相对出瞳距离为目’’f z l ≈3/4由相对出瞳距离和系统所要求的出瞳距离l’z，即可求的其大致的焦距l’z≥20mm，l’z =目’’f z l ×f’目≥20mm 故 f’目≥27mm。
在这里取 f ’目=30mm 。
2、物镜的设计（1）物镜的光学特性：1）相对孔径小，一般小于1：5；2）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，及有关特性参数取倒像系统的放大率等于-1，据公式 Γ= -目物''f f 将 Γ=-3.7，f’目=30mm代入公式得： f’物=111mm（3）入瞳直径（入射光束口径）和相对孔径据公式 Γ='D D 其中 D’=4mm ，Γ=3.7得入瞳直径为： D=3.7×4=14.8mm物镜相对口径：物'f D =14.8111=0.133 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。
3、分划板的尺寸设计由无穷远物体理想像高的计算公式有 分划板半径d=y ’=- f’物×tgω=9.71 mm分划板直径 D=19.42mm4、系统中光学零件的外形尺寸设计为了最大程度的减小两个棱镜的尺寸，要求斜光束的主光线同时通过端部棱镜和道威棱镜的中点，借此确定了系统中成像的斜光束的位置，就可以计算出每个光学零件的通光口径。
取道威棱镜与直角屋脊棱镜的通光口径都等于轴向光束的口径，把入射和出射主光线和光轴的交点，作为入瞳和出瞳的位置，把系统中主光线和光轴的交点，即道威棱镜的中点，作为名义孔径光阑。
(1)道威棱镜外形尺寸的计算 取 D=3.7×4=14.8mmADB C假定光束的入射角为I=45°玻璃的折射率为nsinI’cosI’ =故D=EBsin45°=AB-AE=sin'(1)cos'IaI-易得=对于9K玻璃，代入得D=0.334a 取n=1.5136a=334.0D=44.31mm。
2d =44.31×1.414=62.66其中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=Kna由于光轴与道威棱镜表面的入射角为45°，查的K=0.8，将参数代入公得其相对空气层厚为Ea=44.31×5136.18.0=23.42mm。
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的渐晕，如下图所示：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Dw 。
