火炮周视瞄准镜设计

3 ，是一种较好的中等视场目镜。取相 4
lz' 3 80 ' ，则目镜焦距 f目 mm ，不妨取焦距为 30mm。最终目镜参 ' f目 4 3
' 数如下：焦距 f目 30mm ，视场角 2目 35.88 ，出瞳直径 D出 4mm 。
图4
图5
2、确定物镜结构形式 由公式
E 2 (50 ) tan 5 D斜 D上直 2
其中 E
D直 n
，n 取 1.5163，所以有
D上直
(100 tan 5 D斜 ) 20.70mm tan 5 1 n
再考虑到俯仰角为 18°，如图 10 有
' E D上直 2 (50 ( x) sin 9 )) tan 5 ' 2 2 2 x D直 cos9
h h tan 2 a
所以斜光束入射口径为
h 1 3 . 1m 6m
D斜 h h tan 5 12.01mm
渐晕系数为
K
D斜 D入
100% 80.1%
图7
图8
由上可看出，无论如何计算，渐晕系数都大于 0.5，故满足要求。此外，由 于斜向下入射光线口径较大，故以后都以斜向下光束为准进行讨论。 4、确定端部棱镜与保护玻璃尺寸 不妨取端部直角棱镜斜边中点到道威棱镜中点距离 l直道 50mm ， 则为使边缘 光线仍然能进入道威棱镜，如图 9 有
a 2n 2 1 a 2 2n 2 1
0.2364a 可得 a 63.45mm ， h 15mm ，其中 a 为道威棱
镜下底边长，h 为道威棱镜高度。道威棱镜相对空气层厚度为
E
a 0.8 23.67mm 。其中 0.8 为光由 45°入射时的修正系数。 2n
当光线以边缘视场角即 5 斜向下入射时， 按等效空气层来计算， 如图 6，
2 a ，道威 2
棱镜为 D
a 2n 2 1 a 2 2n 2 1
0.2364a ，物镜为 D=2h，其中 a 为直角棱镜的斜边长
或道威棱镜的下底边长， 道威棱镜两腰夹角为 90 ， n 取 1.5163。 从而可以看出， 在相同通光口径下， 道威棱镜的体积将会更大， 因此将孔径光阑取在道威棱镜上， 以减小周视瞄准镜的体积。 同时道威棱镜位于前面四个光学零件的中间位置，和 其他光学零件较为靠近， 当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的口径加大较 少。
(1)11 Z Z 2 Z
故直角棱镜绕 Z 轴旋转 角度时，像空间也沿 Z 轴旋转 2 角度。若此时物空间 也沿 Z 轴旋转 2 度，则像空间不变。因此绕 Z 轴旋 转度后，看到的是物空间 绕 Z 轴旋转 2 度的物体，符合要求。但是绕 Y 轴旋转时，由棱镜转动定理有
' D出 f物 ' 从而入射光束直径 D入 14.8mm ， 物镜焦距 f物 111mm 。 ' ， D入 f目
由于物镜视场角需求较大，为 2物 =10 ，故选择双胶合物镜。双胶合物镜是由一 个正透镜和一个负透镜胶合而成，如图 5 所示。它能够同时校正轴向边缘球差、 轴向色差和边缘孔径的正弦差，是一种最为常用的望远物镜。它在焦距为 50mm 时适用的最大相对孔径
先求小段长度 x 有
x ( 2E D入 ) tan 5 1.616mm
从而斜入射光束口径为
D斜 D入 x 13.38mm
渐晕系数为
K
D斜 D入
100%
13.38 100% 89.22% 15
图6
当入射光束为斜向上入射时，由图 7 可得此时小段长度 x 为
x ( 2E D入 ) sin 76
所以

x sin 95
x 5 . 5 2m 4m
' D上直 2 1 . 8m 7m
取保护玻璃前面到端部直角棱镜前面距离为 10mm，则保护玻璃通光口径为
' D保 2 10 tan 5 D上直 23.89mm
再考虑周视的问题，如图 11 则在弧矢面直角棱镜通光孔径为
' D上直 (l直道 10 ) tan 5 15 21.21mm 2
图9
图 10
图 11
可以看出，在保护玻璃在子午面和弧矢面上的半径相差不大，故保护玻璃只 需做成圆形即可。 5、计算物镜口径 由于渐晕系数 K 0.5 ， 小于道威棱镜的渐晕系数， 故物镜也将起到限制光束 的作用。物镜口径为 D物 15mm 时，轴向光束能全部通过。此时为使渐晕系数为 0.5，如图 11 计算边缘光束则得到物镜到道威棱镜中心的距离为
a 2D下直 31.11mm
由于分划板需要标注刻度，故必须安装在物镜与目镜之间实像位置上，即分 划板到物镜的距离为 30mm。 由无限远物体理想像高公式可得分划板通光直径为
' D分 2 y ' 2 f物 tan 物 19.42mm
7、确定目镜口径 由理想光学系统的光路计算公式可得到目镜的入射角 u ' 为
为了使 X 1 被抵消，之后只需将道威棱镜绕 Y1 轴旋转 算出此时像空间旋转角度为
角度。由棱镜转动公式 2
(1)11
X3 X 2 X1 X1 X1 2 2 2 2
因此当直角棱镜绕 Y 轴旋转θ度，道威棱镜绕 Y 轴旋转θ/2 度，看到的是绕 Y 轴旋转θ度的物空间中得物体，符合要求，故系统确定如图 3 所示。 最后确定孔径光阑位置。孔径光阑可以选在保护玻璃、直角棱镜、道威棱镜 和物镜上。通过查询，保护玻璃通光口径为 D=2h，直角棱镜为 D
h
D入 h D入 a tan19.9 tan19.9
h 1 . 9 5 mm
因此斜光束入射口径为
D斜 D入 h ( D入 h) tan5 14.19mm
渐晕系数为
K
D斜 D入
1 0 0 % 9 4 . 6 %
当斜光束向上入射时， 如图 8 所示， 则依据折射定理和道威棱镜底角为 45°， 可求出 2 30.34 。设下方大三角形的高为 h，则有
光学系统外形尺寸计算
1、确定目镜结构形式 由 3.7 X
tan 目 ， 且 2物 10 ， 因 而 2目 35. 88。 再 看 到 出 瞳 距 离 tan 物
lz' 20mm ，因此必须选择一个出瞳距离大，视场角中等的目镜。凯涅尔目镜、
对称式目镜、艾尔弗目镜都能满足要求。这里不妨选择对称式目镜。对称式目镜 是目前应用很广的一种中等视场的目镜，是由两个对称的双胶合透镜组构成，如 图 4。这种目镜能消除垂轴色差与轴向色差，同时也能较好的校正像散与彗差， 场曲也比较小，相对出瞳距离较大可达到 对出瞳距离
光学系统技术要求
1.光学特性: 视放大率
3.7 X
物方视场角 2 10 出瞳直径 D出 4mm 出瞳距离 lz' 20mm 2.潜望高 H=185mm 3.要求成正相 4.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° 5.俯仰和周视中观察位置不变 6.渐晕系数 K=0.5.
tan u ' tan 物
从而目镜口径 D物 为
D物 ' 2 f物
u' 1 . 1 4
D物 2(
D物 ' ' f物 f目 ) tan u ' 9.35mm ' 2 tan u
综述
周视瞄准镜是周视望远镜的一种。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。 观察范围小于 360°的为半周视， 达到 360°的为全周视。有周视性能的瞄准镜，可以扩大观察范围方便观察者不 用改变自己的位置和方向，观察到四周的景物。 常见的周视瞄准镜一般利用上直角棱镜绕垂直轴作转动时，道威棱镜绕其自 身光轴按一定关系互相配合互相转动角，可实现水平周视。另外，上直角棱镜能 绕水平轴俯仰， 实现俯仰观察。 但也有少部分采用立方棱镜绕垂直轴转动实现水 平周视或者一些光学元件组合实现。 火炮周视瞄准镜是配备最多种火炮的一种瞄准镜，它用于火炮的种类有加农 炮、榴弹炮、加榴炮和火箭炮，是为观察和火炮标定方向以及火炮简介瞄准射击 而用的， 与高低角装定装置一起构成独立线式瞄准具。它固定在火炮的瞄准具支 座上， 瞄准镜的头部可以绕垂直轴相对固定的壳体转动。它赋予了炮手精确指示 目标和超越打击的能力。
' 最终， 物镜参数为： 焦距 f物 通光口径 D入 14.8mm ， 视场角 2物 =10 。 111mm ，
3、确定道威棱镜尺寸和渐晕系数 由于孔径光阑定在道威棱镜上，故道威棱镜通光口径 D入 14.8mm ，但考虑 到棱镜加工等诸多因素， 取道威棱镜通光口径 D入 15mm 。 查表有道威棱镜计算 公式 D
y z x Z1
Y1 X1 Y2 Z2 X2
Y3 Z3 X3
图2
图3
另外为了满足水平周视和具有一定俯仰瞄准范围的要求， 同时避免 “像倾斜” 与“光轴偏”这两种情况，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。由棱镜转动定理可得，绕 Z 轴旋转时，对于上方直 角棱镜有
从而斜入射光束口径为
D斜 D入 x 10.76mm
此时渐晕系数为
K
D斜 D入
100% 71.7%
另外，还可以用沿实际光路用光路追迹的方法计算。可以发现斜向上入射时，部 分光线未经反射便从道威棱镜另一面出射，如图 7 所示。故斜光束入射口径计算 如下： 由折射定理和道威棱镜底脚为 45°可得到光线在地面的反射角为 69.1°， 故 1 19.9 。设左下角的小三角型的高为 h，从而有
D 1 D 1 ，焦距为 150mm 时适用的最大相对孔径 ' ， ' f 3 f 4