应用光学课程设计-张一鸣

应用光学课程设计——火炮周视瞄准镜设计

学院：光电学院

班级：04011609

姓名：张一鸣

学号：1120161069 日期：2017年9月10日

目录

一、火炮周视瞄准镜概述 (1)

二、光学系统的技术要求 (1)

1.1光学系统特性的主要参数 (1)

1.2主要参数的大致说明 (2)

三、光学系统的设计计算内容 (2)

四、光学系统的参数总结 (11)

五、光学系统的原理示意图 (12)

六、工程伦理与职业道德 (12)

七、环境与可持续性 (13)

八、技术与社会 (13)

九、法律与法规 (13)

十、个人与团体 (14)

十一、参考文献 (14)

十二、附录 (14)

棱镜转动定理 (14)

一、火炮周视瞄准镜概述

火炮周视瞄准镜作为一种广泛应用于军事领域的、起着重要作战作用的军用

瞄准镜，可以配备于多种作战炮类武器，比如加农炮、加榴炮、火箭炮、榴弹炮等等。它可以用于车内观察，也可以标定方向，它与高低脚装定装置一起构成独立线式火炮瞄准具。火炮周视瞄准镜，顾名思义，具有周视性能，从而可以达到扩大观察范围，全方位观察周围情况的目的。并且由于其自身设计的原因，我方炮兵不用改变自己的位置和方向，就可以观察到四周，并且可以精确的指示目标和瞄准射击。因此，周视瞄准镜是一种使用的军用光学仪器。

二、光学系统的技术要求

2.1光学系统特性的主要参数：

视放大率： ?=Γ7.3

物方视场角： ?=102ω

出瞳直径： mm D 4'=

出瞳距离： mm l z 20'≥

潜望高： mm H 185=

要求成正像：

光学系统要求实现：俯仰瞄准范围?±18

水平瞄准范围?360

俯仰和周视中观察位置不变

渐晕系数： 5.0=K

2.2主要参数的大致说明：

1、视放大率3.7是角放大率，光学系统具有扩大视角的作用，同时必须保证一定的分辨角，满足仪器的精度要求。

2、视场角?10，代表望远系统能够同时观察到的最大范围。

3、出瞳直径4mm ，应不小于人眼的瞳孔的直径（白天约2mm ，黄昏约4~5mm ，夜间可达到8mm ），从主观光亮度的要求出发，大部分军用观察瞄准仪器都要求能够在白天喝黄昏同时使用，因此取4mm 。

4、出瞳距离应不小于20mm ，尤其是对于军用光学仪器，防止武器后坐力的撞击

而对我方士兵造成伤害。

5、潜望高185mm，为了使我方士兵不被敌方士兵发现，我们可以取潜望高为185mm，这是由炮塔的结构所决定的。

6、俯仰瞄准范围?

360，该参数的选取是为配合仪器的制作±18，水平瞄准范围?

和使用要求。

7、渐晕系数0.5，指边缘光束的宽度为中心光束宽度的一半。对于本系统，整个视场内都存在渐晕。

下面我们将按照以上要求进行光学设计。

三、光学系统的设计计算内容

3.1周视瞄准镜综述

3.1.1基本工作原理简述：

周视瞄准镜的工作原理是以开普勒望远镜的工作原理为基础的。基本原件是两片正透镜（分别为物镜和目镜），要求物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，并且达到物镜焦距在数值上大于目镜焦距。这样可以达到将无限远目标成像在无限远处的目的，让外界物体，以平行光进入人眼，并且能够扩大视角。在光路中加入平面镜棱镜系统，从而使主光轴可以弯折，从而实现我方士兵的隐蔽观察，最后通过倒像功能实现使所需观察物体最终成正像。

3.1.2用途

我方士兵利用周视瞄准镜，可以全方位地观察到周围的情况，实现周视。并且，当需要俯仰观察时，可以保持目镜不动，方便我方士兵不改变自己的位置和方向就观察到四周的情况，有利于我方士兵的隐蔽，因此利用周视瞄准镜可以方便火炮操作人员的观察和瞄准。此外周视瞄准镜结构相对简单，质量相对轻便，可以方便大规模生产和装备，对提高我国军队火炮战斗部队战斗能力由很大帮助。

3.1.3种类

瞄准镜主要可以分为以下三大类：望远式瞄准镜、准直式瞄准镜、反射式瞄准镜。

3.2拟定系统的原理方案

3.2.1光学系统的基本形式：

应该选择开普勒望远系统。

根据《应用光学》，望远系统有两种，分别为开普勒望远镜和伽利略望远镜，如下图所示：

系统的设计有以下几个要求。要求能够对远距离目标进行观察，并且具有较大的视放大率，还需要分划板来进行军用上的来瞄准和测距。而恰恰开普勒望远镜满足这几个要求。

通过开普勒望远镜，能够实现一定的视放大率，并且能够将无限远的物体成倒像在无限远处。

3.2.2光学系统基本结构：

光学系统的基本结构为目镜、物镜、分划板、保

护玻璃。

保护玻璃通过对系统密封从而起到保护作用，分

划板上经过适当计算与调整刻线后可以进行测量和读

数，物镜和目镜则须选择正光焦度。

3.2.3棱镜系统：

根据火炮周视瞄准镜的设计要求，必须通过平面

镜棱镜系统作为倒像系统，并且需要使系统成正像，

同时还要实现周视的效果。

然而平面镜存在着一些缺点：平面镜不易固定，容易脱落或者错位，从而引起光学系统的偏差；还有平面镜会吸收更多的能量，从而造成光学系统的能量损失。因此，我们在火炮周视瞄准镜中使用直角棱镜来代替平面镜。

确定道威棱镜及转动方向、速度：

根据火炮周视瞄准镜的军用原因，需要实现在水平方向以及竖直方向上能够改变光轴方向。我们可以使用以下设计方法：在光轴上端O1点位置安置一个直角棱镜（顶端直角棱镜），使其既可以绕过O1点垂直于主截面的水平轴转动从而实现俯仰，也可以绕竖直轴O1O2转动从而实现周视。同样，在02处防止一个直角棱镜实现将光轴改变90度方向从而水平进入人眼。

当顶端棱镜绕过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；当棱镜绕O1O2轴转动时，如果我们假设物平面相对主截面不动，则像平面将随着顶端棱镜的转动而转动。此时如果要求像平面不转，就必须使像平面产生相反方向的转动。又因为要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90度的底端棱镜很一定不能转动。这样的话，就必须加入一个棱镜，利用它的旋转来补偿像平面的转动，并且不会使光轴的方向发生改变。我们选择一个直角棱镜放置在01与02之间某个适当的位置来实现对像平面的补偿旋转。

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，反射次数应该是一个奇数，可以添加一个直角棱镜。又为了减少棱镜的体积与重量，并且达到节省材料的要求，我们选用道威棱镜来代替直角棱镜。

道威棱镜的表面与入射光线出射光线并不平行，所以道威棱镜只能工作在平行光路中，只能放在物镜前。当O1处顶端直角棱镜和道威棱镜作为一个整体一起转动时，如果假设物空间坐标跟着转动，即物相对棱镜截面不动，像面将和棱镜同时转动。当道威棱镜单独转动时，像平面的转角等于棱镜转角的2倍。因此，两棱镜同时转动a，然后把道威棱镜按相反方向转a/2，即可成功补偿像的旋转。换句话说，棱镜2的转角应该在数值上是棱镜1转角的一半，且旋转方向需要相同。

然而，由于加入道威棱镜，即增加了一次反射，两个直角棱镜再加上一个道威棱镜，使得总反射次数变为3次，使物像相似关系得到了破坏。为了保证物像相似关系，应该使光学系统中光轴的总反射次数为偶数，因此我们可以引入一个屋脊面，并且将屋脊面取在底端直角棱镜O2处。如此有利于维持系统的稳定。

如下图所示：

3.2.4共轴系统和棱镜系统的组合

能够转向的直角棱镜必须工作在平行光路中，由于道威棱镜的入射面和光线不垂直，所有其也需要工作在平行光路中。并且需要将保护玻璃、直角棱镜、道威棱镜设置在物镜之前。

另外需要考虑充分利用目镜和物镜之间的空间，将屋脊棱镜放在物镜和目镜之间。又由于物镜的焦距在数值上要大于物镜的焦距，所有应该将屋脊棱镜放在物镜和分划板之间。

3.2.5孔径光阑的确定

为了确定系统中这些光学零件的尺寸，必须选择轴外点成像光束的位置，也就是确定入瞳和孔径光阑的位置。考虑到使系统中各个光学零件的尺寸比较均匀，孔径光阑应该选在道威棱镜上，因为在相同的通光口径下，道威棱镜的体积最大，因此它的相对通光口径尽量小。又因为在前四个光学零件的中间位置，其他光学零件和它比较接近，当斜光束通过时，它们的口径比轴向光束的口径相对较小。

我们可以把系统中主光轴和光线的交点，即道威棱镜的中点，作为名义上的孔径光阑。

由此，整个光学系统的设计初样图大概如下所示：

3.3光学系统的外形尺寸计算

3.3.1选择目镜：

由视放大率7.3=Γ和物方视场角?=102ω以及ωωtan 'tan =

Γ可以得到 像方视场角?=??=874.35)7.35arctan(tan 2'2ω；

选用对称目镜，其光学特性为?>??=874.3542~40'2ω，

43''≈目f l z ， 又出瞳距离mm l z 20'≥，故mm l f z 7.263

'4'=≥目，我们取mm f 28'=目； 视度调节范围是5±，目镜的轴向移动量mm f x 92.31000

'52μ=±-=目，满足设计要求； 其中，z l D D f f '''''22、、、、、、、

目物ωωΓ分别为视放大率、物方视场角、像方视场角、物镜焦距、目镜焦距、物镜口径、出瞳直径、出瞳距离。

3.3.2选择物镜： 由7.3''=-

=Γ物目f f ，故mm mm f f 6.1037.328''=?=Γ?=目物； 由7.3'

==ΓD D ，故mm mm D D 8.1447.3'=?=?Γ=； 相对口径

25.0143.06.1038.14'<≈=mm mm f D 物，选用双胶物镜； 其中，z l D D f f '''''22、、、、、、、

目物ωωΓ分别为视放大率、物方视场角、像方视场角、物镜焦距、目镜焦距、物镜口径、出瞳直径、出瞳距离。

3.3.3计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数：

将道威棱镜展开，根据轴向光束确定孔径光阑直径。根据之前的分析，孔径光阑

应该取在道威棱镜的中心，故道威棱镜通光口径取mm D 8.14=；

棱镜采用K9玻璃，所以有a D 334.0=，其中a 为道威棱镜展开后斜边长，所以我们可以得到mm mm D a 31.44334

.08.14334.0===，并且可以通过计算得道威棱镜的轴向长度是mm mm a 66.6231.44414.12=?≈；

我们以?45入射角入射，根据公式n l K

E =，其中81.0≈K ,5163.1=n ,因此相当空气层厚度为mm mm E 67.235163

.131.4481.0=?=；如下图所示

接下来我们来验证渐晕系数K :

（1）光线由上方?5入射时，根据几何关系，我们可以得到

mm

mm mm mm D E D D 17.135tan 8.145tan 67.2328.145tan 5tan 2=??+???-=??+??-=ω故渐晕系数为8898.08.1417.13≈==

mm

mm D D K ω （2）光线由下方?5入射时，根据几何关系，我们可以得到

mm

mm mm mm D E D D 58.105tan 8.145tan 67.2328.145tan 5tan 2=??-???-=??+??-=ω故渐晕系数为7148.08.1458.10≈==

mm

mm D D K ω 上述两种情况渐晕系数都大于0.5，所有设计是合理的，能够对斜光束起到限制

作用。

3.3.4计算01处顶部棱镜和保护玻璃的尺寸：

我们可以取顶部棱镜与道威棱镜间距为mm 36，保护玻璃和顶部棱镜的间距为

mm 8，现在可分光束分别由上方?5射出和下方?5射出两种情况：

（1）光束由上方?5入射

对于顶部棱镜而言，入射角是0，所有相当空气层厚度为L n

L e 66.0== 根据图中的几何关系，可得D e mm D L +++???=)36(5tan 2

解得mm e mm L 67.17,77.26==，所以保护玻璃的直径是

mm mm mm e mm mm D mm e mm D 17.288.14)8368.14(5tan 2)836(5tan 2=++++???=++++???

（2）光束由下方?5入射

对于顶部棱镜而言，入射角是0，所有相当空气层厚度为L n

L e 66.0== 根据图中的几何关系，可得D e mm mm L +++???=)368(5tan 2

解得mm e mm L 78.16,43.25==，所以保护玻璃的直径是

mm mm mm e mm D mm e mm 58.258.14)836(5tan 2)836(5tan 2=+++???=+++???最终，根据以上计算，应该取各项光学量的较大值，我们可以取顶部棱镜和保护玻璃的相关参数为

顶部棱镜口径为mm 77.26，相当空气层厚度mm 67.17，保护玻璃直径mm 17.28；

3.3.5计算物镜相关参数：

我们可以尝试去道威棱镜和物镜之间间距为mm 16

（1）光束由上方?5入射

为了使轴向光束可以通过物镜，必须满足物镜口径mm D 8.14≥，假设mm D 8.14= 由几何关系可以得到mm mm mm D D 51.10)1667.232(5tan =+???-=ω 渐晕系数，5.071.08.1451.10>≈==

mm

mm D D K ω，物镜口径不需要再增大； （2）光束由下方?5入射

为了使轴向光束可以通过物镜，必须满足物镜口径mm D 8.14≥，假设mm D 8.14= 由几何关系可以得到mm D mm mm D D 22.9)1667.232(5tan =++???-=ω

渐晕系数，5.062.08.1422.9>≈==mm mm D D K ω，物镜口径不需要再增大；

综合以上两种情况，我们可以将物镜口径取为

mm D 8.14=。

3.3.6计算屋脊棱镜和分划板尺寸：

对于屋脊棱镜，有mm mm D L 63.258.14732.1732.1=?==

同样采用K9玻璃，则相当空气层厚度

mm mm n L e 94.165136

.163.25=== 又4321d d d d H +++=，其中

mm mm mm mm L d 39.49362

77.263621≈+=+=，mm d 66.622=，mm d 163=，所以 mm

mm mm mm mm d d d H d 95.561666.6239.491853214=---=---=

根据几何关系得，

?≈-??=-

??=59.0}6.1032165tan 6.103arctan{}'2165tan 'arctan{

''mm mm mm f mm f 物物ω ''tan 2294.164ωD D mm d -=+屋，带入数据即'

'tan 28.14294.1695.56ωmm D mm -=+屋 解得mm D 32.16=屋，即屋脊棱镜口径为mm 32.16

根据几何关系，分划板口径mm mm f D 13.186.1035tan 2'5tan 2=???=???=物分； 物镜与屋脊棱镜之间的距离mm mm mm D d 79.482

32.1695.5624=-=-

屋 屋脊棱镜与分划板之间的距离为

mm mm mm mm D d f 48.3632.1666.095.566.10366.0'4=?--=--屋物 3.3.7计算目镜口径：

mm f f D 03.23)''(5tan 2=+???=目物目

3.3.8验证出瞳距离和潜望高：

mm

mm mm mm mm d d d d H 18595.561666.6239.494321=+++=+++=故潜望高的关系成立

如图所示，由几何关系，根据相似关系，有mm mm l mm mm z 2807.9'07.95tan 28=+?? 解得mm mm l z 2056.35'>=，所以上述设计是合理的。

四、光学系统的参数总结

4.1总参数

放大率 ?=Γ7.3

物方视场角 ?=102ω

入瞳直径 mm D 8.14=

出瞳直径 mm D 4'=

潜望高 mm H 185=

俯仰范围 ?±18

水平范围 ?360

渐晕系数 5.0=K

4.2保护玻璃

直径 mm 17.28

4.3保护玻璃与端部棱镜之间的距离 mm 8

4.4顶部棱镜

直角边长 mm 77.26

4.5顶部棱镜与道威棱镜之间的距离 mm 36

4.6道威棱镜

展开边长 mm 31.44

直接长度 mm 66.62

4.7道威棱镜与物镜之间的距离 mm 16

4.8物镜

结构 双胶物镜

焦距 mm f 6.103'=物

口径 mm D 8.14=

4.9物镜与屋脊棱镜之间的距离 mm 79.48

4.10屋脊棱镜

直角边边长 mm 32.16

4.11屋脊棱镜与分划板之间的距离 mm 48.36

4.12分划板

直径 mm 13.18

4.13分划板与目镜之间距离 mm 28

4.14目镜

结构 对称目镜

焦距 mm 28

口径 mm 03.23

4.15出瞳距离mm l z 56.35'=

五、光学系统原理示意图

六、工程伦理与职业道德

工程活动作为现代人类社会存在和发展的物质基础，作为一项人类最基本的社会实践活动，不但涉及人与人、人与社会、人与自然的关系，还存在着许许多多深刻的伦理问题。工程伦理包括两个层次的道德现象：一是工程师个人道德良心、道德观念、道德行为；二是工程组织的伦理准则。

作为一名火炮周视瞄准镜的准设计工程师（本科学生），个人所必须承担着对社会负责的伦理责任。大力保证自己的设计正确可行，且对人类社会的发展与前进具有一定的促进作用，个人应做到承担以下三个方面的伦理责任：

1、虽然对于个人不可预测的结果难以负责，但必须做到对可预测结果负责。对于周视瞄准镜设计阶段理论与计算上的问题一定要做到清楚解决，不可含糊。

2、工程师同样作为人类社会的一分子，对于他人具有道德义务，比如造福社会，工程生产有效用。火炮周视瞄准镜，能有效提高火炮部队战斗力，作为一种军事震慑的存在，一定程度上能促进国家与地区的和平发展。

3、工程师有职业上的责任，使自己的工程作品能够增加福祉，避免伤害，得到大众的信任，保证没有抄袭、侵权等行为发生。努力改进火炮周视瞄准镜，使其更加配合军队使用，是军事工程师需要花费大量精力去追求的目标。

七、环境与可持续性

火炮周视瞄准镜，其结构以各类光学镜类仪器为主，而其制作材料以玻璃为主。故火炮周视瞄准镜的生产与玻璃工业有着密不可分的关系。

玻璃的生产涉及以下两个方面的环境问题：

1、生产原料：玻璃的主要成分是以二氧化硅为主的硅酸盐类，硅酸盐类作为岩

石类的物质，常常存在于地表与岩层。地表岩层涵盖着人类需要的大量资源，于是对硅酸盐的开采与使用面临以下问题：第一、开采与提炼的效率问题：生产方需要拥有足够成熟的开采技巧与提炼工艺，使得硅酸盐资源得到最大程度化的转化与使用；第二、废料处理问题：对提取硅酸盐的岩石废料需要进行资源回收再利用，用以提炼其他生产原料比如碳类，同时对无利用价值的废料要环保处理，尽量减少污染。第三、可持续发展问题：对硅酸盐资源的开采与利用要求具有严格的规划，不可过度开采。

2、生产工艺：对硅酸盐的高温提炼要求很高的稳定，这就对工厂的设备与电力提出了很高的要求，而电力资源与设备的来源同样设计到环境资源问题。如何平衡与协调玻璃生产中各个方面的环境资源问题，实现真正意义上的可持续发展，这是一个值得思考与探索的问题。

3、半成品利用：对玻璃成品的再加工与利用，针对本文的物理光学仪器的加工与制作，同样需要注意工业上的合理规划问题，人力资源的安排与利用，工程技术上的要求，以及尽可能提高成功率来减少资源浪费。

八、技术与社会

个人以火炮周视瞄准镜为主题的工程设计，在设计理念上依然存在很大的不足，无法与国内先进水平相提并论，在工程技术等实际问题的要求之下，可能很难达到一个最好的设计平衡。个人的设计水平来源于高校内的学习，仍然具有很大的局限性；而现实军用的火炮周视瞄准镜来源于军事工程专家的设计，结合考虑到了理论与使用实践。

火炮周视瞄准镜的设计，为提高我国火炮部队的打击精度，增强我国火炮部队的战斗力，提供了很大的帮助。其具有的一系列优点，比如体积不大，质量轻便，容易携带，可以实现俯仰与周视，并且能够兼有精确瞄准与大致测量两大作用，使其实用价值特别突出。

九、法律与法规

工程师个人以及工程组织做到绝对遵守国家相关法律法规，切实做到在法律法规允许的范围内进行工程设计，并且遵守工程伦理提出的职业道德，保证尽到工程师个人或组织应尽的伦理责任，以道德的良知与行为，去进行造福人类的工程设计。

十、个人与团队

此次火炮周视瞄准镜的设计以个人设计为主，以老师的引导讲解、同学的支持帮助为辅，历时半个月，最终初步完成课程设计的理论部分。

个人以查阅光学设计相关资料、运用应用光学相关知识进行计算设计为主要手段，对火炮周视瞄准镜的每一个设计步骤进行周密的计算，最终得出一个初步的理论设计图样和一系列初步的理论设计参数，并对其在工程上的可实现性以及军事上的可利用性做出了大致的预测，并且对整个课程设计过程中的每一个步骤以及整个课程设计的过程进行了一定程度的反思与总结。

十一、参考文献

1、《应用光学》第五版（李林、黄一帆主编）北京理工大学出版社

2、《应用光学》英文版第二版（李林主编）北京理工大学出版社

3、《光学设计》（刘钧、高明主编）西安电子科技大学出版社

4、《光学设计手册》（李士贤、李林主编）北京理工大学出版社

5、《计算机辅助光学设计的理论与应用》（李林，安连生）国防工业出版社

6、《工程光学》（李林，林家明，王平，黄一帆）北京理工大学出版社

7、《现代仪器设计》（李林）科学出版社

8、《应用光学》（安连生、李林、李全臣）北京理工大学出版社

9、《几何光学与光学设计》（王子余）浙江大学出版社

10、《光学设计》（袁旭沧）北京理工大学出版社

十二、附录

棱镜转动定理：

棱镜转动定理是研究棱镜转动对象空间方向和位置的影响。在物空间不动的条件下，当棱镜绕任意轴转动时，像空间位置和方向的变化。

棱镜转动定理：“假设物空间不动，棱镜绕P 转θ，则像空间首先绕P ′转

θ1-n 1-）（ 然后绕P 转θ”。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,也是一个单位向量，θ为棱镜的转角。符号规则：当对着转轴向量观察时，逆时针为正，顺时针为负。n 为棱镜的总反射次数。 把像空间的转动情况，用先后绕P ′和P 的两次转动来表示。 有限转动不符合加法交换律，两次转动的顺序不能颠倒。引入一个代表有限转动的特定符号［θP ］θ代表转角，它的符号规则如前所述。单位向量P 代表转轴的位置和方向。［θp ］只是一个表示有限转动的符号，而不能看作是一个向量。棱镜转动定理可以用上述符号表示如下：

[A ’]=[

θ1-n 1-）（P ’]+[θP] 式中，符号[A ’]只是作为像空间转动状态的一个代号，没有别的含义。由于

[

θ1-n 1-）（P ’]和[θP]都不是向量，因此不能进行向量运算。 根据符号定义，一下关系显然成立：

][)]([]

)[(][][2121P P P P P θθθθθθ-=-+=+

第一个等式说明，先P 转1θ后，再绕P 转2θ，就等于绕P 转（1θ+2θ）。第二个等式说明绕（-P ）转θ就等于绕P 转-θ。

定理证明

可将物空间不动，棱镜绕P 转θ这样一个运动设想分成两步来实现。第一步：先假设棱镜不动，让物空间绕P 转-θ，根据平面镜系统的成像性质，如果反射次数n 为奇数，系统成镜像，像空间将绕P ’转θ；如果n 为偶数，物像相似，像

空间绕P ’转-θ；总的来说，相当于像空间转

θ1-n 1-）（。第二步：把物空间和棱镜一起绕P 转θ，像空间显然也绕P 转θ。这样最后总的结果就是：物空间回到

了原始位置，棱镜绕P 转θ，像空间首先绕P ’转

θ1-n 1-）（，然后绕P 转θ。

以上结果和定理完全一致。在这里说明，以上结论只涉及棱镜的总反射次数，并没有涉及棱镜的具体形式，因此对任意的平面镜棱镜系统都是成立的。