华中科技大学应用光学课程设计.doc

华中科技大学应用光学课程设计步枪瞄准镜的光学设计 院系：光学与电子信息学院 姓名： 班级： 2014年7月2日星期三目录一. 选题背景及参数说明1.1选题背景及意义.21.2瞄准镜主要技术指标及说明.2二. 外形尺寸计算2.0瞄准镜系统主要结构.32.1物镜初始结构参数计算.42.2目镜的选取.82.3场镜设计.82.4分划板.82.5转像系统设计.9三. ZEMAX优化 3.1物镜优化.133.2目镜优化.183.3转像系统双胶合透镜优化.243.4场镜优化.303.5系统结果.33四零件图.35五总结与心得体会.38 参考文献.39步枪瞄准镜的光学系统设计一. 选题背景及参数说明1.1选题背景及意义各类枪支在现代战争中起着举足轻重的作用，而枪支射击的精度与瞄准系统密切相关节省弹药，命中率更高的枪械将提高战争的战胜概率更早地结束战争。其意义是显而易见的。枪用瞄准镜的运用已有百余年的历史。在两次世界大战中已显露出它的战绩，瞄准镜先在狙击枪上得到运用。以后扩展到步枪以至于手枪上去年美军对伊战争中，美伊双方均用狙击枪配瞄镜给予对方以相当杀伤。瞄准镜瞄准的原理是采用分划与远处目标两点重合的对准方式，它将远处目标成像在分划面上并与分划重合，再通过目镜放大，使人眼能同时看清分划和远处目标，加上有倍率的望远系统将远处目标放大使馆即视角放大，俗称拉近， 以便详细观察和精确瞄准传统的机械瞄具瞄准的原理是采用枪上照门准星与远处目标三点重合对准方式，而照门，准星及目标三者到人眼的距离不同，要同时清晰地看见三者较困难，并且要求三者处于一条直线上，因此瞄准精度差，瞄准速度慢，尤其是对运动目标。参考文献4其基本结构如上图所示，主要分为三个部分：一个是物镜组(Objective Lens)，一个是校正镜管组(Erector Tube)，和目镜组(Onicular Lens)，还可能有其他镜组。物镜组负责的是集光，所以当物镜越大，瞄准镜中的景物就应该更明亮，目镜组负责将这些光线改换回平行光线，让眼睛可以聚焦,造就最大的视野;而校正镜管组则是将物镜的影像由上下颠倒、左右相反而修正成正确方向,并且负责调整倍率。瞄准线所在位置可以在校正镜组前的第一聚焦平面，或是其后的第二聚焦平面，而风偏调整钮、高低调整钮、以及放大倍率环都是用来控制校正镜管组的左右、高低、前后位置。1.2瞄准镜主要技术指标及说明 瞄准镜的技术指标是根据所执行的任务决定的。这里采用200米以内生动目标因此要求瞄准镜能快速准确确定目标且其外观尺寸要与步枪结构相符合。具体设计方案要求为：1、 瞄准镜的放大率由倍率公式=入/出=视角放大倍率入为入瞳直径（物镜孔径）出为出瞳直径选择适宜的倍率为4倍；2、白天人眼瞳孔直径在2mm左右，黄昏也才4mm所以出瞳直径以覆盖人眼瞳孔直径并略有富余量为原则，一般出选用为8mm 适宜。故瞄准镜的入瞳直径32.0mm 出瞳直径8.0mm ；3、出瞳距离的大小影响到使用者的安全，考虑到与整个步枪结构协调的问题，选瞄准镜的出瞳距离大于70mm；4、瞄准镜的视场角23；5、由于瞄准镜架设在步枪之上，故该仪器总长度设计在220到320mm之间，过长不方便使用，过短则瞄准不方便，使用不好；二外形尺寸计算2.0瞄准镜系统主要结构(说明：该文档中所有数字单位均为毫米mm) 枪瞄准镜系统主要分为物镜系统，目镜系统和转像系统。参考文献6瞄准镜主要分为伽利略式和开普勒式系统，伽利略式配枪不协调使用不方便，故这里采用开普勒式系统，开普勒式分为棱镜转像和透镜转像，由于棱镜式棱镜所占体积大，在瞄准镜 这种要求轻便的仪器室不合适的，故采用透镜转像，这是最常用的形式，技术也已经成熟。系统结构如图所示：其在本质上为带有透镜转像系统的望远系统，光路图如下所示 以下系统计算以此图为基础。以下计算主要基于PW法和应用光学课本中P429带有透镜转像系统的望远系统计算，并且参考了光学仪器设计手册。参考文献1,22.1物镜初始结构参数计算用PW法计算物镜初始结构参数，具体方法如下：（1）选型由于D=D=48=32，2=3，视场角小，故选用双胶合物镜。其相对孔径为1/4，由此求得焦距为f1=128。 （2）、确定基本像差参量。根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有： 亦即 由此可得像差基本参量为： ,（3）、求。由式 可得： 因为玻璃为选好，可暂选用冕牌玻璃进行计算。取,并将和的值代入上式，得：（4）、根据和从附录1查玻璃组合。由于K9玻璃性能好而且熔炼成本地，因此应优先选用。可选它和玻璃组合，当时，由附录1查得。从附录2查得BK7（）和（）组合的双胶合薄透镜组的各系数为：, ,并取A=2.44.K=1.72（5）、求形状系数： 由于，不存在严格的消像差解，但因值接近于，可认为，因此可得，。（6）、求透镜各面的曲率（规划条件下的）： （7）、求薄透镜各面的球面半径： 现将该透镜系统结构数据整理如下：tan=0.026，物距,入瞳直径h=32，入瞳距第一折射面距离玻璃牌号79.146r2=-56.277BK7（8）、求厚透镜各面的球面半径。光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下： 光学零件外径的确定。根据设计要求f0=128和D/f0,=1/4，可算出通光口径D=32。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得2.5，由此可得透镜的外径为34.5。 光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：对凸透镜：高精度 中精度 其中还必须满足对凹透镜：高精度且 中精度且式中，为中心厚度，为边缘厚度。具体结构如图（1）所示。根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。凸透镜： 式中、为球面矢高，可由下式求得 式中为折射球面半径，为透镜外径。 图（1）双胶合透镜将已知数据代入可求得， 然后，再将它带入式的凸透镜最小边 缘厚度： 凸透镜最小中心厚度： 凹透镜： 的求法同上，将已知数代入式得。然后，再将它代入式便可求得凹透镜最小边缘厚度： 在保持和角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的和角不变，由式和式可知当和不变时，、在变换时可保持不变，放大率亦保持不变。当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则光学系统的光焦度亦保持不变。2.2目镜的选取目镜通光口径为D=D/=32/4=8 ，焦距fe=f0/=128/4=32 ，2=12。查阅光学设计手册P282，根据所需参数选取目镜2-01：选用的玻璃分别为BK7,BK7和ZF22.3场镜设计 由于要用场镜做分划板, 所以选择平凸透镜。l=56 ， l=- 128， 1/l-1/l=1/ f f2=38.96 场镜通光口径为D2=2*f1 *tan=6.7考虑经济实用性，场镜选取常用玻璃为BK7，根据透镜焦距公式可得 r2=f(n-1)=20.12。 场镜直径取决于物镜像高，这个系统物镜像高为6.7，故可取其直径为8.2.4分划板枪瞄镜的视场光阑放在成像面上这样使视场有清晰边缘。这里将分划板置于前焦面的实像面上，于是分划板置于场镜平凸透镜的平面部分，故它直径与场镜保持一致为8mm。 观察瞄准分划板是指示目标方位，要在分划板中心刻上实线，以使瞄准镜和光轴重合，为避免遮蔽目标故在十字交叉处开一缺口，缺口间隔E为目标夹角34密位。参考文献6有关系：E=0.001 f0分划线刻线宽度为t满足关系0.00014f0 t 0.00028fe即0.01792t0.00896至于分划间隔，分划板分划间隔为线宽十倍，线长为线宽6倍时观察精度最高。2.5转像系统设计步枪瞄准镜的体积比较小, 所以需要透镜式的倒像系统,该系统=-1,取渐晕系数K=0.75, 同样取双胶合物镜,参考应用光学P424，采用对称结构的转像系统。(参考带透镜转像的望远系统光路图)f3=f4=2*0.0232*128*128/32=26.8双胶合取相对孔径1/4, D=7,f=28,两透镜的间隔影响渐晕的大小, 两透镜间距为d=4(1-K)tan f12/D=13.407。此时求得出射光瞳位置： 由此可见该设计符合出瞳距要求对称双胶合透镜采用与物镜相同的设计方法，用PW法计算单块透镜的初始结构，具体过程如下：（1）、确定基本像差参量。根据设计要求，设像差的初级量为零，则按初级像差公式有： 亦即 由此可得像差基本参量为： ,（2）、求。由式 可得： 因为玻璃为选好，可暂选用冕牌玻璃进行计算。取,并将和的值代入上式，得：（3）、根据和从附录1查玻璃组合。由于BK7玻璃性能好而且熔炼成本地，因此应优先选用。可选它和玻璃组合，当时，由附录1查得。从附录2查得BK7（）和（）组合的双胶合薄透镜组的各系数为：, ,并取A=2.44.K=1.72（4）、求形状系数： 由于，不存在严格的消像差解，但因值接近于，可认为，因此可得，。（5）、求透镜各面的曲率（规划条件下的）： （6）、求薄透镜各面的球面半径： 现将该透镜系统结构数据整理如下：，物距,入瞳半径，入瞳距第一折射面距离玻璃牌号BK7（7）、求厚透镜各面的球面半径。光学系统初始计算得到结果以后，必须把薄透镜换成厚透镜，其步骤如下： 光学零件外径的确定。根据设计要求和，可算出通光口径。透镜用压圈固定，其所需余量由手册查得2.5，由此可得透镜的外径为8。 光学零件的中心厚度及边缘最小厚度的确定。保证透镜在加工中不易变形的条件下，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系：对凸透镜：高精度 中精度 其中还必须满足对凹透镜：高精度且 中精度且式中，为中心厚度，为边缘厚度。具体结构如图（1）所示。根据上面公式，可求出凸透镜和凹透镜的厚度。凸透镜： 式中、为球面矢高，可由下式求得 式中为折射球面半径，为透镜外径8。 图（1）双胶合透镜将已知数据代入可求得， 然后，再将它带入式的凸透镜最小边 缘厚度： 凸透镜最小中心厚度： 凹透镜： 的求法同上，将已知数代入式得。然后，再将它代入式便可求得凹透镜最小边缘厚度： 在保持和角不变的条件下，把薄透镜变换成厚透镜。薄透镜变换成厚透镜时，要保持第一近轴光线每面的和角不变，由式和式可知当和不变时，、在变换时可保持不变，放大率亦保持不变。当透镜由薄变厚时，第一近轴光线在主面上入射高度不变，则光学系统的光焦度亦保持不变。三ZEMAX优化 计算完系统各部分初始结构之后，下面开始用zemax软件对各部分进行优化。所用zemax版本为zemax2005，采取的优化步骤为先分别对各部分进行优化，再看组合系统的效果进行优化。3.1物镜优化输入初始结构参数如下：优化之前各图为优化SPHA球差,COMA彗差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差，并且目标有效焦距EFFL为128。优化后光路图优化后数据图如下：优化后各图变为通过与优化前的比较可看出，点列图明显得到优化，Ray fan图和OPD fan图数值有了明显优化。基本符合要求。从system data里读出物镜有效焦距为131.5792，符合设计要求。像差的seidel coefficients如图从该表中可以看出像差各项较小，符合设计要求。球差，色差和弧矢彗差等得到了校正。3.2目镜优化 根据所选取的目镜，在zemax里输入相应的初始参数，目镜反向设计得到如下图示：在没进行优化时得到相应的各误差图形为可见直接从光学手册里获得的目镜误差极大，需要进行优化。所需优化的值为SPHA(球差)，,COMA彗差,TRAY弧矢彗差,AXCL轴向色差，并且目标有效焦距EFFL为32。优化后数据为误差图形为光路图为：像差的seidel coefficients如图读出其有效焦距为32.29644，符合设计要求。从图中数据可以看出，点列图得到了很好的优化，但是形状不是很理想，图表所显示的数值由几百降为了个位数或两位数。光路图也较为理想。Ray fan图和OPD图从前后图可以看出前后误差变化得到了较好的优化。3.3转像系统双胶合透镜优化输入初始结构数据没有优化时各误差图为：优化后数据变为：误差图为：由上图与优化前比较可知，点列图得到了较好的优化。OPD fan和Ray fan图所列数值明显减小，得到了很好的优化。从system data里读出其有效焦距为29.0469,符合所设计的要求。Seidel coefficients数值如图：从图中可读出误差均较小，符合设计要求。弧矢彗差和色散得到了校正。所以可以将其作为系统一部分进行使用了。3.4场镜优化由于场镜结构简单为单透镜，这里就不详细列出优化前具体数据了，直接给出优化后的图形。优化后光路图优化后像差图误差的seidel coefficients如图从图中可以看出各项误差很小，场镜并且在system data里读出其有效焦距为40.12962与设计时的焦距38.96基本一致，符合设计要求，故可以作为系统一部分进行使用。3.5系统结果将以上优化好的数据计算根据带有透镜转像的望远系统示意图可得如下为经过优化后的数据。优化后系统的系统参数如图所示Seidel coefficients为：从上可看出各项像差均较小符合设计要求。所以经过优化后的系统总的误差在较为理想的范围内MTF函数图为：系统光路图为由于系统较长，故上图显示得不太清晰，从上图可看出系统总长度为261.29315mm。符合瞄准镜的设计要求。从光路图中通过调整最后一个面thickness的参数，可以读出出瞳距大小为76.24符合设计的出瞳距大于70mm的要求。所以最初设计的系统各部分分别经过zemax优化后，组合系统符合最初的设计要求，像差在较为理想范围内，可以正常工作，所以该项目基本得到实现。四光学系统零件图这里我来绘制双胶合物镜双凸透镜零件的图，在已优化的数据读出两面半径分别为89.5039和-51.9802厚度为6.21。在system data里读出透镜高度为32.81246。通过AutoCAD画出零件图，并进行标注。 零件材料为BK7玻璃 类型为双凸透镜 对玻璃要求：nD 5C(nF-nC) 5C光学均匀度 5应力双折射 4光吸收系数 5条纹度 1C气泡度 5D对零件要求：N=5N=0.5C=0.05R=BB=Vq=0.5/D0玻璃为BK7，折射率为1.5163R1=89.5039R2=-51.9802f1=nR1/(n-1)=262.86f2=nR2/n-1=-152.66=d-f1+f2=26.942f=-f1f2/=570.36lf=f(1-d/f1)=556.89lf=-f(1+d/f2)=-547.15 D=32.81246五总结与心得体会 在这耗时数周的光学设计中，终于完成了，我只感觉在这数周时间里很累，每天都花很多时间来计算参数，优化，很多东西都不懂都只能从头来，一点一点摸索，直到完全弄清楚是怎么回事，在这两三周时间里，一直都有深深的挫败感，从开始选题的迷茫到参数计算的苦恼，再到优化时zemax软件没有理想结果，每一步都很艰难，特别是在最后一周，一边面临别的科目考试，时间有限，而这里却一直没有结果，光学设计经常一做一晚上，可是还经常没什么进展。碰到了很多困难，但也有很多新的认识和收获。 碰到的主要困难有以下几点：1. 首先是自己知识能力很有限，找了很多题目，一开始想做能够变焦的瞄准镜但是都无从下手，最后只得放弃做了一段时间发现很多东西无从下手，文献也查阅不到很详尽的资料，只好退而求其次，换简单一点的题目再去做，原理不懂，而应用光学很多知识也印象模糊了，只得一点点去消化，思考方案，查阅文献。2. 其次是查阅了很多文献，但文献总是很多很深入的的内容，看完不明其究，而很多论文只能提供少量有用的信息，需要自己一点点去发掘其中的精华，这些消化思考的时间是最难熬的，因为就算很努力可能都没有有用的结果出现。真是一种折磨。3. 软件优化时，优化后的参数经常会发生巨大的变化，参数直接由负变正，由几十跳变到几千，光路图也有时彻底变得一团糟，一些部分变得十分扭曲，完全不能用。4. 纵观整个过程我深深地感觉到光学的计算实在是十分复杂，我在PW法计算上消耗了大量的时间，计算物镜和转像系统的双胶合透镜都花了很多很多时间，以及系统整体的参数如出瞳距也耗费了很多时间。5. 以及我感觉光学手册给的一些参数不可信，在设计时光学手册查阅的目镜尺寸是我整个系统各部分中像差最大，优化花费时间最长，并且不是很理想的部分，但由于我没有查阅到一个双胶合透镜加一个单透镜组成的目镜系统的结构参数计算方法，也没有查阅到非常理想的，只能给出目前经过优化的目镜结构。以及有几个同学向我说了同样的问题。6. 其次在设计过程中碰到了很多小问题，一点点解决，虽然现在都解决了，但花了很多时间，所以我诚心建议老师您能建立一个QQ群，你在空闲时间回答我们提出的问题，这样能极大地方便信息的沟通和问题解决的效率，也让我们免去了很多迷茫时的问题。 同时在经历完整个设计过程之后，我也学到了很多东西，掌握了很多原来没有接触过的东西，让我的认识也提高了一层。个人总结如下：1. 第一次制作完整的课设，让我对项目设计有了一个初步的了解，制作一个项目现在我认非常重要的一点是要有清晰的计划和对项目整体有一个理解有一个十分明确的目标，然后再一步步分部分进行，各部分可能会出现不同的问题，但只要大方向能够正确，小问题一个个解决就能最终实现整个项目，明确的目标才能让人明白该做什么。2. 其次加深了原先很多光学知识的印象和理解，以前不明白出瞳距，焦距这些参数有什么具体作用，现在明白它们在光学设计中起着很重要的作用，也明白了书本上干巴巴的知识可以转化为现实的产品，可以设计出完整的结构。3. 学会了zemax软件的基本使用，也让我对光学这门课有了新的认识，光学不止是书本上的公式和图形。也重新练习了AutoCAD等软件。4. 掌握了很多原先不懂得小知识，比如现在学会了查阅文献，去学校图书馆的数据库下载学术论文，查阅文献，以及学会了阅读文献从中获得所需的内容，也学会了使用公式编辑器这些东西。5. 这么多天耗时的工作，让我感觉其实专注于一件事时不会很无聊，在后来基本完成时，才发现自己能完成一开始觉得十分困难的事在十几天时间里竟然可以完成，我也明白了很多看似艰难的问题，总是能够找到方法解决的，很多东西做下去才能有结果，就像这次课设，一开始真的觉得什么都做不出来了，但最终还是有成果了。6. 明白了做一件事要综合各种可以获得的资源，比如这次为了制作瞄准镜去查阅资料，碰到问题问身边的同学，以及上网查看前人已有成果和经验，都是可获得的资源。 最后是我的想法，留待将来实现吧：1. 可以设计一个PW的程序算法或者软件，输入相对孔径和焦距以及透镜的种类，然后输出结构参数，这样可以省去一大把时间。（反正我在网上没找到这样一个软件）2. 修改或者验证应用光学手册里的目镜结构参数。参考文献：1. 光学仪器设计手册M，北京：国防工业出版社,19712. 张以谟主编.应用光学M. 机械工业出版社, 19823. 谢富能 打靶与猎枪用光学瞄准镜J. 应用光学1984(6) 4. 尹波. 轻冲/微冲白光瞄准镜设计方案探析J. 四川兵工学报. 2004(02)5. 枪瞄镜可变倍组件的光学系统设计 林昭珩 长春理工大学 20096. 可变倍枪瞄系统研究 林昭珩 长春理工大学 20097. 刘学泽. 枪用瞄准镜J. 四川兵工学报. 2008(01)39