摘要
军事仪器中光学瞄准器的基本原理是：光学系统所成的图像与瞄准分划在两点上重合，当目标像与瞄准分划在分划板上相遇、重合时，最终以平行光的形式发射出来，因此在使用过程中，只需将眼睛保持在同一瞄准距离，即让人眼瞄准一个无限远的目标。同时，由于光学视觉的放大作用，能够极大地提高其客观瞄准性。随着科学技术的进步，瞄准装置在武器装备中具有极其重要的地位，为适应国防现代化建设的需要，发展光学瞄准器是我们应该不断深入研究的内容。
本课题的意义重大，由于95式步枪在夜间射击时不易完成瞄准，所以就这一问题运用人眼生理学理论，寻找更加符合人眼视网膜感光的荧光材料。通过光学中的成像技术，对95式步枪的机瞄装置进行改进，提高其夜间射击的表现。随着科技的发展进步，瞄准装置在武器装置中是重中之重，为了满足国防现代化的需求，光学瞄准镜的发展是需要我们不断的去进行更加深入的研究学习的。
本文依据现实需要设计了一款特殊瞄准镜，即透镜转像式长出瞳距军用瞄准镜光学系统。采用光学设计软件ZEMAX设计实现了放大倍率为8倍，视场角为5°，出瞳距离为40mm，鉴别率：α<5’’的瞄准镜的光学系统设计。对外形尺寸进行了计算。在物镜组的设计中，推导了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组的光焦度分配公式。在目镜的设计中，研究了长出瞳距目镜的结构形式和像差特点。最后对物镜组和目镜分别进行像质评价。完成的设计结果都满足使用目视光学仪器的相关要求。
关键词：光学设计，瞄准镜，军事武器，步枪瞄准镜
第一章绪论
1.1研究目的和意义
在当今时代，95式自动步枪已经成为了我国在军事设备上使用规模最大和最广泛的一项作战武器，同时也在我国的军校中应用非常广泛，95式自动步枪是采用无托设计，枪身长仅只有746毫米，并且制作该抢什外壳的材料，使用的是如今国际上非常流行的纯黑色工程塑料，因此，在美观上也进行了有效的塑造，能够使其更加符合中国军人的胜利特征，这一项瞄准聚的设计是一个闭合的圆形，主要的特点是精度比较高，并且瞄准时比较方便和快捷，但是受阳光的影响，可能会比较小，主要的缺点是在进行搜索时观察的范围很小，不方便取得对应的提前量，在进行夜间设计师很难完成对应的瞄准工作，所以说在光学中的成像技术中，我们对95式步枪的机瞄设置进行了一定的改进，使其更加满足如今国防现代化的主要需要。
1.2国内外现状
如今，冷兵器的时代已经逐渐被淘汰，随之而来的就是若无其事的，很多自行的武装设备都已经在一步一步的满足，如今，现代化的需要远程作战，也是现代作战方式中的一项主流方式，能够影响到武器性能以及瞄准技术，这些都需要这些不断的提高，并且在军事战争中，同样是离不开光学的发挥的，要将光学英语在远程作战当中能够提高打击目标时的准确性和速度，这对瞄准镜的研究具有非常深刻的意义。
1.2.1国内研究现状
在我国研究的过程中，最先研究的是光学瞄准镜，并且将其应用在了79式狙击步枪光学的结构上，紧接着，这种光学院的件也被应用在了85式狙击步枪，赏赏这种光学瞄准镜是在我国其实，年代末和80年代初，最终根据苏联的一项瞄准镜来进行纺织而成的最初在距离上具有一定的限制，因此对其进行了反复的实验，最终得出对应的结论。最后得出的结果是，如果想要更加粗略的估算，相应的目标要在夜间光线比较弱的情况下进行实验。
这个瞄准镜的主体结构主要是一体管，并且镜像的尺寸比较小，性质比较狭长，但是具备三个优点，就是可以全天候的进行作战，也可以进行快速的瞄准工作，同时也具备非常便捷的瞄准标记，在战斗过程中，可以抢得先机，第三个优点就是体积比较小，比较易于携带，在瞄准镜路上也比较高，具备两个缺点，第一是拆卸时，虽然方便，但是在拆卸时，如果不注意，可能会影响到瞄准镜内的松动，从而影响到整个设计过程中的准确性，第二个就是瞄准镜的红外感光板，对外界环境的要求非常高，在遇到恶劣环境中时，是不方便进行使用的。
图1.179式7.62mm型狙击步枪的光学结构
在1989年，我们就已经研制了88式组部步枪瞄准射精，并且在1996年时也完成了初步的生产计划，在1997年是对驻港部队的武器进行了供应，这一项瞄准镜可以实现远距离的瞄准，并且距离可以长达80米左右，也可以实现全天候的进行工作，应用范围也比较广泛，对于测量数据，各项数据都比较准确。
88式阻击步枪光学瞄准镜的系统部分组成，主要有有物镜筒精神已经目镜筒三个部分，同时，为了避免灰尘对物镜的测量结果产生影响，也在上面配备了对应的防尘罩物，镜筒的物镜筒径深，可以通过进行分化以及调整结构来进行使用，在目镜筒上具有与无尽相同部分的眼罩，除了这三个部分，还具备对应的便被机构以及配合强制的锁紧机构，以及证明设备等，提现了88式狙击步枪光学瞄准镜的更加方便的特点。
图1.288式5.8mm狙击步枪瞄准镜
很多国产的50，80周氏瞄准镜来讲，战争当中，对于这项瞄准镜的使用并不非常广泛，但是在光学结构上是同样离不开吴京和目镜的，如果只是将梦境保持同一个固定的位置，那么，镜头以及水平的方向就应该进行调整，从而来瞄准对应的目标，如果为了保持同一个方向来实现直角棱镜和棱镜的配合，那么一个绕垂直轴转动，另一个绕其自身光轴配合转动，就能够获取更加精准的瞄准目标，在调节方面也非常重要，我们可以通过对应的直角棱镜旋转以及调节。
图1.3国产58式周视瞄准镜
科技创新在不断地发展，并且我国的瞄准镜视野也在一步一步的走向更高的阶梯，每一个瞄准镜的产生，都在性能以及基础上进行了非常大的改善，因此，我们国家的水平与发达国家这些强国来比，还是需要付出更多的努力才能更新到他们现在所处的军事化水平，比如说X现在进行阿富汗等战争中所使用的瞄准镜设备在配备上是非常全面的，几乎包括了如今所有的光学瞄准镜，在技术方面上也非常的突出，我们国家进行自主研发的武器设备，更要满足如今联合作战的要求，必须要具备全天候作战以及精确打击杜的点，能够提高瞄准性能，符合现代化战争的需要，提高打击能力。
1.2.2国外研究现状
枪炮武器的发展经历了已经上半年在机械结构上也发生了很大的变化，武器性能上也有了一定幅度的提高，但是瞄准的系统并没有那么快速，因此，为了应对战场环境的变化以及在使用上的轻便程度，现在已经对这个模式进行了改变，一直到19世纪已经开始出现了光学瞄准装置。
但随着时代的发展，如今的很多瞄准设备正在向光学瞄具的发展来进行过渡，机械化的标准系统需要在结构或者是结构方面进行更大的改善，比如说X的M4A1，G36（德国），G2（法国），TAR-21（以色列）等其他国家的设备，他们在进行设计时，往往是将一些比较繁琐的装置来设定成固定的标尺，或者是旋转的标志，在一些非机械瞄具上面，主要采用微光夜视镜以及红点瞄具，望远镜等来将其安装在机械上，这样才能够更大程度的扩大士兵的视野，加强他们的攻击性。
下列我们所讲述的内容就是对其他国家所具备的瞄准系统来进行具体的分析。
（1）德国G36步枪的光学瞄准系统
G36步枪主要使用的就是组合式的光学瞄具，并且分上下两层，再上层是红点，准直式瞄准镜在下层为望远瞄准镜，如果这两种瞄具不是发生损坏的话，提拔上还有一把备用的。这样具有一定的便利性。
G36在瞄准镜的装配上，主要放在提手上，这样可以提高瞄准镜再进行装配时的利用空间能够减少机械元件，将红点准直镜放在提手的后上方，这样不仅仅可以将视场放大一倍，再瞄准时光源，从前方来必须要经过的就是一个滤镜，这个滤镜可以将白光绿城红光从而反射到人们的眼中去，如果在后面的条件也会有对应的电路来辅助产生红光。
我们将望远镜放在提手的后下方，并且和准直镜排在一起，这样不仅仅可以提供三倍的放大倍数，并且可以有效的获取整体的目标，能够将提手的前方设置为方形，可以使得实现完整的通过，而这个镜头的作用，主要就是来对目标进行攻击。
G36瞄准系统所产生的优点主要是使用了双光学系统，可以提高对应的瞄准速度，也可以提高瞄准的精度，第二个就是采用新材料进行设计，从而导致整体的重量进行减轻，这样不仅仅有利于视频长时间持有，也能够节省士兵们的体力，第三个优点就是比较实惠，能够缩小部队的开支。
这一整套装置所产生的缺点，第一就是不够结实，不够牢固，并且结构比较简单，在进行战争时条件比较恶劣，使用枪支的时间比较长，不牢固的结果将很容易导致进行脱落和损坏，第二个就是目镜和物镜的尺寸是比较小的，对于外界的环境适应性比较差，如果一旦一些脏东西沾到镜子上，就很容易遮挡术对应的光线，士兵们就要花时间去进行擦拭。
真的，以上我们所提出的问题，对应的研发部门对G36V，G36KV来进行的下一步的研究，从而能够研发出更加具有创新性的瞄准器。
图1.4德国G36步枪的瞄准镜和NSA80夜视仪
（2）TAR21（以色列）步枪瞄准装置
以色列步枪的瞄准装置与G36最显明的区别就是结构不同，并且没有采用提手式的设计，主要安排在机身的顶部并且装有一定的滑轨，可以灵活变换不同型号的瞄准，比如说激光瞄具以及微光瞄具的其中也具有红点准直器和望远瞄准器，只不过排列的方式会有所不同。
TAR21在进行设计时，没有留用机械瞄具，但是在准直镜的顶部可有一个尺寸比较小的凹槽可以在解决情况下进行使用。
图1.5以色列TAR-21
（3）M4A1（X）步枪瞄准装置
M4A1装置和我们以上所描述的结构是不相同的，并且在机械的构建中也比较中规中矩，零部件也比较齐全。
图1.6XM4A1
M4A1设备对其进行配备的主要功能和部件由下表表示。
表1.1 M4A1主要部件及功能
| 零件名称 | 数量 | 功效 |
| 望远镜式瞄具 | 1 | 4×32倍，大大延长了杀伤距离，可以达到600米之远 |
| 红点准直式瞄具 | 1 | 可主动照明，可以在昏暗的环境下使用氚灯做为光源 |
| 防尘罩 | 1 | 环境恶劣时候备用 |
| 机械瞄具 | 1 | 能调整高低和方向，有效距离为300m。它装在导轨的最后一个槽内，不需要时可向下折叠，不影响其他瞄具使用。 |
| 微型夜视仪 | 1 | 放大倍率2.25倍，体积小，质量仅0.83kg，由
单一AA碱性电池供电，使用寿命约16小时。 它识别和打击目标的距离为20～300m。 |
| 其他仪器 | 若干 | 可配备热成像仪器、摄像仪、激光测距仪等先进瞄具，可精确测量2500m的距离，有效射程超过600m。 |
1.3本文主要研究内容
本论文分四章，具体内容包括：
第一章：对很多有代表性的轻武器进行了研究，也总结了世界各国武装部队普遍使用的设备，并且对这几项比较普遍的设备进行了比较。
第二章：我们首先对瞄准器的分类进行了非常具体的介绍。
第三章：我们对光学瞄准镜的主要部分进行了一定的分析，其中可能包括物镜和目镜的光学特性以及目镜的主要理论分析和内容介绍。
第四章：主要采用光学设计软件来放大其中的倍率，使得市场角固定为5度，这个项目力量进行更加精密的设置，并且对整体的外形进行了计算，在无尽所得设计中，对镜组进行的推导，并且研究了长出瞳距目镜的结构样式，以及所显示的相差特点，对此进行评价。
第二章瞄准镜的分类
瞄准镜是指军用仪器上进行瞄准使用的装置和仪器。机械瞄准镜的结构并不复杂，军事领域中的轻武器在制造和使用的时候常常会优先选择这样的结构。机械瞄准系统是军事领域中最常用的瞄准装置，也是空中射击系统中的必备元素。
机械瞄准镜结构简单且小巧便于携带，更不能轻易被损伤，由于其独
特的优点，所以才得到广泛使用。但是，机械瞄准镜却有很多硬性的缺陷，它的缺点分别为如下几点：
（1）瞄准的精度不高。
（2）很难做到实时瞄准，遇到动态的目标准确度就会下降。机械瞄准镜最特殊、最显著的缺点是瞄准运动着的目标进行射击时，瞄准镜上基准点的位置一直在变化，因此，大幅度的延长了瞄准时间，最终造成瞄准精度的下降。
（3）无放大作用。由于机械瞄准镜不具备放大这样的概念。因此，经对瞄准的目标的距离要求特别高。同时必须要考虑到人眼极限分辨率，当物体的极限分辨角小于1’时，人眼就无法识别。
由于物体可见度与物体的尺寸、与目标的远近、目标明暗、大气光学性质等因素都有关系，因此，目标能被瞄准的极限距离的改变程度特别大，因此，通常情况下，在射击里程小于2～3km时，机械瞄准镜可以被使用。
鉴于机械瞄准镜存在上述不足之处，因此它一般只能在轻武器上使用。经常用来装配在作战装甲车上的新式瞄准镜都是包含光学瞄准系统的瞄准镜。
2.2光学瞄准镜
光学瞄准镜的基本原理为光学瞄准，经常使用在军用光学仪器中。军用仪器中的光学瞄准镜，基本原理是目标经光学系统成的像和瞄准分划两点重合，又因为目标像和瞄准分划在分划板上相遇并且重叠，最终以平行光的方式射出，因此，在使用过程中，仅仅是让眼睛相同的视距上，而非不同的视距，也就是让人眼对无穷远目标瞄准。同时，光学瞄准镜具有放大功能，在射击瞄准的时候瞄准精度能够被很好的提高。
光学瞄准镜包括以下几种不同的形式：望远式瞄准镜、准直式瞄准镜和反射式瞄准镜，设计时常常选择的是望远式和反射式[8]。望远式瞄准镜和反射式瞄准镜这两种类型的瞄准镜大都在光线照明条件比较好的白天被应用。因此，可以用白光瞄准镜对他们进行分类。此外，如果是夜晚特别差的照明条件非常不好的情况下可以选择使用夜视瞄准镜。因为在结构上添加了夜视设备所以具有了夜视功能。根据具体的功能有不同的分类。
（1）微光瞄准镜和（2）红外瞄准镜两类。
(a)(b)(c)
图2.1(a)望远式瞄准镜(b)准直式瞄准镜(c)反射式瞄准镜的对比图
2.2.1白光瞄准镜
能够在照明条件好的白天来应用的一般光学瞄准镜系统叫作白光瞄准镜。初期的白光瞄镜是根据经典的开普勒望远系统的基本原理而制成的，再结合物理光学以及几何光学中的基本知识，我们又把白光瞄准镜内部的光学系统细分为准直式和望远式两种不同的系统。
（1）准直式系统
准直式系统的基本原理如下，在系统左边放置一个能将自然光光源或者其它类型光源导入光学系统的元件，这个元件被称为导光棒，在导光棒的右侧端面放置一个小孔光阑，小孔光阑的作用是控制输出光束的直径和样式。在观察者用一只眼睛看瞄准镜里面是，观察者看到的是一个红点，这个红点就是处在无穷远处小孔光阑所成的像。同时，对目标的瞄准这时候就需要观察者使用另外一只眼睛。由于人眼的双目立体视觉原理，人能够将目标所成的像和红点像综合在一起，最后的结果就红点和目标重合。因此，如果在机枪上安装瞄准镜，并且使瞄准镜的瞄准线与其基准线重合，从而实现机枪瞄准射击的目的。
图2.2准直式瞄准镜
准直式系统的光学原理图如图2.3所示，准直式瞄准系统主要包括光源、分划板、物镜及分光镜组成，分光镜表面镀膜，实现半反射半投射的功能，分光镜与光轴成45°安放[10]。光源发出的光线照亮分划板，然后由反射镜折转给物镜，分划板处于物镜的物方焦点上，所以从物镜出射的光束变为准直光束。准直光束经过下一个光学元件分光镜以后被反射，最后入射到人眼当中。此时，观察者就可以在目镜中同时看清无穷远处的目标及分划，从而进行瞄准。综上所述，准直式系统结构并不复杂、视场角大，操作的难度很低。由于其不具有放大倍率，所以瞄准的精度不高，经常用在大型机枪上。
图2.3准直式系统
（2）望远式系统
望远式系统和准直式系统最大的区别为它具有放大倍率，所以能瞄准远处的目标，在远距离准确射击中得到了广泛应用。望远式瞄准镜的光学系统主要还是开普勒望远系统组成，只是增加了转像功能。望远式瞄准镜的光学系统使用正光焦度的物镜和目镜，并且物镜的像方焦点和目镜的物方焦点相重合，无穷远目标经此望远系统成像后，观察者的视觉体验是目标被放大，使观察者能够瞄准更远距离的目标。
望远式系统主要组成部分包括物镜、目镜及安装在物镜和目镜共同的焦点处的分划板。此望远系统成倒立、放大的像，为了便于人眼观察，我们在望远系统中增加棱镜转像装置，使观察者能够观察到正立的目标像，如图2.4所示。被观测的目标发出的光线首先由物镜进入相应的光学系统当中，再经由下一个光学元件也就是转像棱镜后进入到人的眼瞳。最终，观察者在目镜视场中能够同时观察到“十字”分划和被瞄准目标的正像。
由于望远式系统拥有其无与伦比的优点，因此，望远式系统在瞄准镜中被使用的频率最高，而准直式系统的使用就不太常见。望远式瞄准镜通过望远式系统建立的基准轴使无穷远处目标和望远式系统的光轴同轴。我们通常把由望远式系统构成的瞄准镜又叫做测量望远镜。
测量望远镜由物镜、目镜及安放在物镜和目镜的共同焦点处的分划板构成，次分划板上有刻线。如果把分划板的中心与物镜的中心连起来就称为基准轴，也可以称为瞄准轴。瞄准精度的定义为此瞄准轴和比较标记相重叠的水平，瞄准精度还可以称为定向精度，瞄准镜精度是权衡望远式系统瞄准镜性能最重要的因素，它直接对使用过程产生影响。
（3）反射式瞄准镜
反射式瞄准镜的光学系统包括析光镜、分划板和照明系统。在析光镜的内侧凹面上镀有析光膜。光源发出的光线经过分划板后入射到到析光镜上，在析光镜的膜层上形成圆型瞄准记号，然后再由析光镜反射回来，保证正确的入射光方向，就可以使出射光线平行于光轴，平行光线入射到人眼后，人眼就能到观察到目标，当圆形的瞄准记号和目标像重合时，目标被瞄准。反射式瞄准镜的光学系统并没有放大倍率及转像的光学系统，结构相对来说并不复杂，紧凑的结构使整体的体积也不大，操作者使用起来非常的便捷。
2.2.2夜视瞄准镜
（1）激光瞄准镜
激光瞄准镜主要用在各种军事武器装备上，也是起到瞄准的作用。激光从激光瞄准镜出射后，能在被瞄准的目标上产生斑点，这个斑点就为机枪要射击的点，这样就能够保证射击的精确性及灵敏性。主要是在照明条件不好时被利用。黑天时，使用者就可以借助专业的夜视镜轻松的进行瞄准。激光瞄准镜的特点是视场角大，瞄准者能观察更广的区域，并且响应时间短。因此，可以通过激光瞄准镜来瞄准移动速度特别快的目标并迅速开枪射击，特别适合清晨、傍晚等能见度低的条件下使用，会产生良好的瞄准效果。
（2）红外热成像瞄准镜
由于人眼的生理因素，在漆黑的夜晚，人眼就失去了视觉的敏感性，因此，看不清景物。想要实现看清景物的目的，就一定要加大人眼的视觉敏感性，强大到可以达到可见区域外的红外区，红外热成像瞄准镜刚好能实现这一目标满足这样的需求。
红外热成像瞄准镜主要依靠被测目标表面不同区域辐射的温度之间的差别最终探究到被测目标。红外热观察瞄准镜抗外界因素干扰的能力强，白天和黑天都可使用，对于能见度低的环境，比较容易发现和识别被测目标。所以，红外热成像瞄准镜比白光瞄准镜有更多的优势，发展前景不可估量。
2.3其他瞄准装置
光电瞄准镜即武器装备上的光电瞄准装置的种类有很多，但应用最广泛的当属激光-红外指示器和红点瞄准镜两种。它的优点是在光线不足甚至很弱的情况下亦能够快速捕获一个或多个目标。这个时候激光-红外指示器就表现出了非常大的优势。非常适合特殊环境中战斗，瞄准时，激光指示器发出一束激光照射在在目标上呈现一个小红点，即弹头命中位置。便于在特设环境作战时无法正常瞄准，利于本能射击。
激光指示器发展迅速，目前用途最广的有两种：其中一种为白光装置激光指示器，白光装置的工作波长约为620nm，波长在可见光的范围内，所以肉眼就可以观测到指示的红色标记；另外一种配备的是夜间装置激光指示器，因为工作波长处在近红外波段，超出了人眼的可见光波段，必须在红外或夜视眼镜的协助下我们才能观测到相应的红色标记。
除此之外，国际上先进的武器装备公司已经对对这些产品升级融合，提高了性能。如X的一个武器研发中心生产的激光瞄准设备就包含了两个工作在不同波段的激光指示器，一个工作在可见光波段，另一个工作在红外波段。功能上在不断的革新升级，不仅有红外指示器的功能，还有红外“探照灯”的功能，通过夜视设备距离比较远的目标可以轻松的被辨析出，如果作战环境比较复杂的黑暗地下室或者黑暗的野外空间同样可以被照明，作战能力大大被提升了。
2.4小结
瞄准镜的性能好坏，由瞄准镜光学系统质量决定。不同于早期的由单一的光学元器件或者由透镜、棱镜、反射镜等光学元器件装配成瞄准镜光学系统，具有光学功能。现今已发展为能够结合光电技术、红外技术与传感技术的多功能光学系统，也是以后要深入研究的发展方向。
第三章瞄准镜的光学特性
3.1光学瞄准镜的组成
光学瞄准镜的组成有三个非常主要的组成部分：物镜组，校正光管，目镜组。
图3.1(a)物镜组(b)瞄准线(c)高低按钮(d)校正镜管(e)目镜组一般光学瞄准镜的构成
（1）物镜组(图3.1的a)
在瞄准镜当中看到的目标的亮暗非常的关键，只有看到清晰的目标才能提高射击的精准度。所以大尺寸的物镜可以可以提高目标的亮度，换句话说物镜组承担的是采集光的作用。
（2）校正镜管(图3.1的d)
校正镜管有两个突出的作用，一个是调整角度，如果经过光学系统成的像存在上下翻转，可以通过校正镜管的高低按钮(图3.1的c)进行调整校正。如果出现是前后，左右错位，可以经过校正镜管的风偏调整钮校正。另一个重要的
作用就是可以改变倍率，根据实际情况调整选择，有一个对应的放大倍率环。
（3）目镜组(图3.1的e)
如果入射到眼睛之前的光线没有调整过，我们是不能看到清晰的目标像的。我们需要平行光线会聚到眼睛，在一个相对比较大的视野的情况下观察目标。目镜组就负责完成这样的效果。从图中可以看出瞄准线(图3.1的b)可以放置在前后两个位置。既可以是位于校正镜组左侧的第一聚焦平面，也可以是位于右侧的第二聚焦平面[18]。一个瞄准镜镜身内的镜片不会只是单一的凸透镜或者凹透镜。光学系统的组成常常是非常复杂的，镜片的数目可能会超过九个镜片。对镜片选择合适的镀膜技术，其透光率可能超过百分之九十五。如果实际的情况镀膜没有达到预期的效果，有一个清晰的视野环境，光亮度足够，我们依旧可以清晰的观察到目标。如果单纯比较物镜的集光面积，物镜的优势远远大于眼睛，是不需要额外考虑太复杂的因素的。
图3.2光学瞄准镜的实物图
军用瞄准镜的瞄准系统采用的是望远瞄准系统，如果选择的是开普勒望远系统的正像方法，不仅需要一组透镜结构，同时需要棱镜正像。
3.2物镜的光学特性
本文光学系统采用的物镜组的主要组成部分：摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组
（1）摄远型物镜组摄远物镜的结构组成一般都是由两个透镜组之间相互配合，其中一个是正透镜组，另一个是负透镜组[19]。光学结构并不是严格统一的，有的时候也可以使在一个双胶合物镜的后面增加一块厚弯月形透镜作为配合。物镜经过摄远型物镜的前部分会形成一个实像，摄远物镜后组部分的作用是增加一定的焦距。正透镜组放在前面，系统的长度尺寸如果和焦距的尺寸相比较可能会小，整体上就可以是一个小体积的结构。
（2）场镜
在光学系统中，斜光束入射的光线，如果需要改变方向，同时光学系统的整体长度也有一定的限制要求，这个时候可以选择在成像的焦平面或者离焦平面很近的位置添加一块透镜，这个透镜就被称为场镜。
具体的说我们常常会设计比较复杂的光学系统来满足实际的需求，光学系统中的每一个元件都具备一定的尺寸大小，这样就对成像光束的位置有一定的要求。或者说对入瞳和出瞳的位置都有限制要求。没有场镜的时候，物镜和目镜的焦距就已经通过理论推导提前计算出来了，也就意味着入瞳和出瞳就已经被确定下来了。但是实际的设计需求需要出射的光束相对低一些，同时系统的光学特性不能发生改变，一个正透镜就就可以使出射的光束相对低一些，这个正透镜就是我们说的场镜，前方物体经过物镜成像位置正好在这个正透镜的主平面上面，光通过正透镜以后就不会改变像的大小，后透镜组的通光口径也可以相应的减小。
表3.1场镜的用途分析
| 场镜 | 用途 |
| 正场镜 | 使整个光束靠近光轴，从而减小后面的透镜尺寸使出射光瞳靠近目镜 |
| 负场镜 | 使整个光束离开光轴，从而增大后面的透镜尺寸使出射光瞳距离增大 |
（3）转像镜
如果所成的像是负的，就可以用转像镜组变为正的。光学瞄准镜如果选用开普勒式的望远镜，所成的像就必须经过转像镜转一下，否则就会看到上下和左右都翻转的图像。转像镜的作用非常的重要，直接影响了最后的观察结果。透镜转像式望远系统的突出特点就是拥有一个相对比较长的光路，而成像的效果，还有选用场镜及分划板的口径都是有要求的，需要有很好的匀称性，所以结构通常采用对称的。转像系统的光阑位置在选定的两个转像镜的中间位置，所以一般都优先选择采用对称式转像镜组。
图3.3转像棱镜示意图
军用瞄准镜在射击的时候会遇到很多随机的问题，比如说射击会产生振动，振动有时候会引起棱镜位置的微小变化，即使是微小的变化也会对瞄准系统产生影响，进而改变射击瞄准的精确度。因此，枪瞄镜和炮瞄镜等军用瞄准镜望远系统进行光学系统设计时常常可以采用透镜转像式结构。
3.3目镜的光学特性
目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的远点或目视距离供人眼观察。目镜也是放大视角用的仪器。放大镜的原理是短焦距的凸透镜，经过它成的是正立放大的虚像。
瞄准的时候，射击目标会通过望远镜物镜然后成像在目镜的物方焦平面处，再经过目镜系统成为一个放大像成像在无穷远处。这时如果我们观察瞄准镜，肉眼就可以看到目标。在观察过程中，人眼的出瞳处与目镜的出瞳处是一致的，出曈的位置就是在目镜的像方焦点的附近距离处。望远系统的入瞳经过整个光学系统以后的像实际上是出曈，这个出瞳和目镜的孔径光阑是一致的，在进行瞄准射击的时候，射击者的瞳孔应该与这个瞄准光学系统的出瞳重合在一起。
目镜的视场光阑和物镜的视场光阑的位置是一致的，这个位置就是目镜的物方焦平面处。如图3.4所示。
图3.4目镜与物镜的衔接
由此可以看出，如果在实际的过程提高了系统的视放大率，就会提高目镜的视场角。或者是在设计的过程中提高了物镜的视场角，也会增大目镜的视场角。如果只是盲目的为了增大倍率而直接增大目镜视场的话，就会伴随着像差的产生，引起轴外像差的加大，最后就会得到一个非常不好的成像结果。因此，目镜视场起到了一个限制的作用必须在设计的时候考虑充分。
对于军用射击瞄准镜望远系统，射击的时候如果位置不当就有可能伤害到眼镜，所以常常需要给眼睛一个眼罩；同时有时候炮产生的烟雾也会对射击手产生影响和干扰，这个时候防毒面具就是非常有必要的，考虑到可能会发生的这些因素目镜的出瞳距离就必须有一定的要求和限制。进行目镜的光学系统设计的时候必须考虑出瞳。如果按照一般的长出瞳距目镜出瞳距离一般最小值是20mm,最大值25mm的范围进行光学设计，那么与军用光学系统的要求将会相差甚远。因此，在火炮的光学瞄准镜的光学设计里对长出瞳距离的研究是非常有意义的。
3.4目镜的分类
3.4.1惠更斯目镜
图3.5惠更斯目镜
惠更斯目镜的组成为两个平凸透镜。两个平凸透镜之间有一定的距离，一个称为场镜用L1表示，位置位于紧挨着物镜的一侧。另一透镜名字为接目镜用L2表示，位置在目镜附近，场镜L1和接目镜L2的焦距分别为f1’和f2’。
物镜所成的像需要再一次成像在两个平凸透镜之间，可以通过场镜来完成。场镜除了成像的作用是避免轴外的光束发生偏折，保证大多数光线都可以转向后方的接目镜，成像在接目镜的物方焦平面的位置。光线通过接目镜就可以成像在无穷远处。
像方焦点F’的位置在接目镜的后方，物方焦点F的位置在两透镜之间的某个位置。物镜的作用使物体所成的像被放大，可以在两个透镜之间看到。如果有一虚物y，经过场景镜所成为一实像y’，位置在接目镜的物方焦平面上。
3.4.2冉斯登目镜
冉斯登目镜也可以简称为R式或者SR式目镜，由一种两片组的目镜组成。两片组的目镜也是平凸透镜，特点是两块透镜的大小是一样的，选用的玻璃材料也必须是一样的[24]。这种目镜的优势体现在像差的消除上，比如可以消除畸变和色差，还可以大大的减少球差的作用。结构上可以有测微目镜和导引目镜，通过安装十字丝或分划板可以达到这样的目的。但是实际上这样的结果导致的视场有点小，同时因为场镜平面与视场光栏直接的距离变得很近，可能有灰尘都会在场镜的视场中被直接观察到。冉斯登目镜是早期的目镜代表，光学结构并不复杂，可以大批量的购买，很多小型望远镜都采用这种目镜结构。
3.4.3对称式目镜
对称式目镜的主要组成部分是两个双胶合透镜。如果以简化制造工艺为前提，一般都是选择两个一样光学结构的双胶合透镜。采用的两个双胶合透镜组都可以消色差，这样整体的光学结构不仅可以减小轴向色差和垂轴色差的影响还可以减小彗差和像散的影响。依据的是薄透镜光学系统的消色差条件。从使用要求上进行选择，如果注重的是外观体积比较小的，而且对成像质量也有一定的要求，对出瞳距离的要求也比较大的，对称式目镜是一个非常好的选择，所以中等倍率和出瞳距离要求较大的望远系统常常选择这种目镜。
通过以上常用的瞄准镜目镜的介绍，我们可以发现目镜的设计要求主要体现在像散、垂轴像差和彗差的校正上。同时彗差的影响一般不是特别大，因为初级彗差的大小由光束孔径的平方值来决定，而一般的目镜的出曈直径都不是特别大，彗差可以忽略不去考虑，不是一个重要的考虑因素。这样我们一般都是优先考虑校正像散和垂轴色差。
3.5小结
根据物镜的光学特性分析介绍本文系统物镜组采用的是摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组。通过目镜的光学特性分析在瞄准镜设计时长出瞳距离是考虑的一个最重要的因素。
第四章瞄准镜光学系统设计
4.1设计要求
放大倍率：Γ=8×；视场角：2ω=5°；出瞳距离：l’z≥40mm；鉴别率：α<5’’；采用透镜转像。
4.2外形尺寸计算
4.2.1技术指标的确定
1.目镜视场角
物镜的视场角：2ω，目镜的视场角：2ω’，视放大倍率：Γ；
由物镜视场角2ω=5°，可计算得到目镜的视场角2ω’=38.5°。
2.入瞳直径与出瞳直径
入瞳直径：D，出瞳直径：D’，视放大倍率：Γ；为了满足观察要求，选定出瞳直径D’=4mm，可得入瞳直径D=32mm。根据α=140”可得鉴别率α=4.375’’<5’’，满足设计要求。
3.物镜焦距与目镜焦距
为了满足长出瞳距离的要求，期望目镜焦距尽量大，但这会导致物镜焦距增大，使相应的像差增大，设计困难。长出瞳距与长焦距物镜必须要考虑。选定物镜焦距为f’o=160mm，目镜焦距为f’e=20mm。
4.2.2外形尺寸的计算
根据技术要求，需要采用透镜转像式望远系统结构，其最大的缺点是体积大，造成的实际问题就是整体的筒长比较长。出现这样问题的解决方案可以在设计物镜组的时候采用摄远型结构来减小整个系统在纵向方位上面的尺寸，在物镜的像面附近添加场镜可以尽量减小其后面转像系统的横向方位上面的尺寸。应用光学设计软件ZEMAX输入选定的结构参数就可以对瞄准镜光学系统
的外形尺寸进行相应的计算。其光路结构如图4.1所示
图4.1系统光路结构图
瞄准镜光学系统由物镜组、场镜、转像镜组、分划板和目镜组成。其中物镜组由正光焦度的前组和负光焦度的后组组成摄远型结构；场镜的位置是放置在物镜的像面附近，用来降低后面转像镜组的通光口径；转像镜组的物距与像距是一致的，即放大倍率为-1×，通光物镜组的像是倒像，因为场镜的存在，就可以把倒像转像，我们就可以看到一个正常的像，不会影响视觉观察的效果。分划板Reticule的后表面是转像镜组的像面同时也是目镜的物面，表面带有分化刻度，用来瞄准和测量；目镜对分划板后表面进行成像，人眼对准目镜就可以对目标进行观察。
因为系统结构中设有分划板，所以进行像质评价的时候要分成两部分来讨论，以分划板为界限，左右两侧分别进行像质评价。物镜组、场镜和转像镜组作为组合物镜组应用ZEMAX软件进行相应的设计，而目镜可以单独应用软件进行设计。
4.3组合物镜组的设计
瞄准镜光学系统属于望远结构，由于需要分划板实现瞄准和定位，因此采用具有实像面的开普勒式望远结构[33]。但是，经过开普勒系统直接观察的话将会是一个倒像，不利于射击瞄准分析，所以必须要加入转像系统。枪瞄镜和炮瞄镜这样的军用瞄准镜在作战的时候都会受到外界环境或者自身的影响，轻微的振动也有可能对棱镜的相对位置产生影响，都有可能影响瞄准系统成像。因此，我们在进行军用射击瞄准镜望远系统设计时采用了透镜转像式结构来尽量避免产生的不良影响。
透镜转像式系统和棱镜转像式系统相比光路较长，就没有办法把结构设计成小体积和重量轻的结构。因此，需要采用摄远型结构。根据摄远结构的特点，前组的相对孔径近似为整个光学系统相对孔径的2倍，本物镜的相对孔D/f=32mm/160mm=1/5，即前组的相对孔径大约为1/2.5，因此，前组需要三片透镜组成，后组采用双胶合结构。
场镜采用平凸透镜，放置在物镜组的像面附近，使轴外光束会聚，降低后面转像透镜组的通光口径。
-1×转像透镜组采用对称式结构，会产生正球差和负场曲，物镜产生的是负球差和正场曲，正球差和负球差直接正好相互抵消补偿了[35]，而负场曲和正场曲也正好直接相互抵消了。
4.3.1技术指标
物镜组焦距：f’=-160mm；工作波段：可见光；入瞳直径：32mm；视场角：2ω=5°；物镜组总长≤160mm。
4.3.2结构型式的分析
整个转向进组在进行放置，使主要放在物镜实像的附近垂直放大倍率β=-1×的镜组，如果其中的物镜组成的导向经过转向进修，可以形成为正向，那么物镜就可以像平面以及转物镜像的平面可以设置成一致的，并且目镜的物方焦平面和转向镜组的平面也是一致的，这是因为透镜转向精髓的横向尺寸非常大，纵向尺寸也比较大，我们可以采用这一形式来对这些问题进行解决，但是系统的纵向尺寸也需要进行一定的缩短，如下图所示。
图4.2结构型式图
图4.2中，摄远型镜组：LO，场镜：LF，转像镜组：LR；正场镜：LF，转像镜组：LR。
组合物镜组就由LO、LF和LR组成。LO包括LO1和LO2。其中LO1具有正
光焦度，LO2具有负光焦度。LF放置在摄远型镜组的像方焦平面附近；LR采用对称式结构，孔径光阑的位置需要设置在内部为了达到校正垂轴像差的作用和效果。
梦远屋见光学的主要系统特点是孔径比较大的，会存在市场不大的现象，因此，存在的相差主要有球差，正弦差以及位置色差正负透镜胶合在一起，对相差的修正是球差，怎么应用这个软件来对球面曲率半径进行优化和修正？在制造工艺上，也可以选取合适的材料进行修正。
经过技术分析以后，可以计算出需要的外形尺寸，各镜组光焦度都需要被合理的进行分配，初始结构就能很快的确定下来了。应用光学设计软件ZEMAX，对操作数的进行合理的设计，系统的残余像差就可以被有效的修正。经过合理有效的设计得到组合物镜组光学系统结构如图4.4所示，其焦距为-160.06mm，总长为159.96mm，满足技术指标中焦距和总长的要求。
图4.3光学系统结构图
4.3.3设计结果及像质评价
图4.5为组合物镜组的纵向像差曲线，从图中能够得出全口径处球差值
-0.012mm，有效的修正了球差；0.707倍口径处其最大剩余球差的值为
-0.086mm，0.707倍口径处的剩余位置色差值为0.037mm[43]，都是满足设计需求的。
图4.4纵向像差曲线
图4.6得出特征频率50lp/mm处轴上光的对比度为0.51，0.707倍视场子午和弧矢的对比度分别为0.34和0.42，全视场子午和弧矢的对比度分别为0.39和0.42，满足目视光学仪器的要求。
图4.5组合物镜组的MTF曲线
4.4目镜的设计
目镜的出瞳距离是本文设计考虑的一个非常重要的参数，普通望远系统的出瞳距离最小值在20mm最大值在25mm这样一个范围内。作对于军用瞄准镜望远系统，射击的时候如果位置不当就有可能伤害到眼睛，所以常常需要给眼睛一个眼罩；同时有时候炮产生的烟雾也会对射击手产生影响和干扰，这个时候防毒面具就是非常有必要的，考虑到可能会发生的这些因素目镜的出瞳距离就必须有一定的要求和限制，需要目镜具有长出瞳距离。
4.4.1技术指标
目镜焦距：20mm；出瞳直径：4mm；视场角：2ω=38.5°；出瞳距离：40mm。
4.4.2结构型式
目镜的特点一个是视场比较大、另一个就是口径并不大，所以理论推导重点需要放在与视场有紧密联系的轴外像差的校正[44]。技术指标给出的关系式目镜的出瞳距离是焦距的2倍。如果我们设计长出瞳距目镜，就一定会面临着主光线在系统中的投射高度非常大的情况，轴外非对称性像差的影响就是不可避免的。为了修正像差，采用正、正、负透镜组的结构型式。采用这样的结构，入射光线的高度就不会特别高，偏角的压力就减弱了，高级像差也被有效的得到遏制。如果焦距已经是固定值，物方主平面H向前方移动，可以得到的结果就是增加了出瞳的距离，对场曲的校正是非常有益的。第二组正透镜和第三组负透镜都使用双胶合的结构型，色差和出瞳中心的光阑球差就可以因为采用这样的结构被有效的修正，其结构型式如图4.7所示。
图4.6目镜结构型式图
4.4.3设计结果及像质评价
应用光学设计软件ZEMAX对初始结构参数进行优化设计，像差可以得到
进一步有效的修正，对瞄准镜目镜光学系统的设计结构如图4.8所示。目镜焦距为20.02mm，总长为71.48mm，出瞳距离为40mm，相对镜目距P’/fe’=2。
图4.7光学系统结构图
图4.9为目镜的场曲和畸变曲线，可以得出整个视场中场曲值的最大值是0.31mm；像散值的最大值是0.3mm；畸变值的最大值是-4.4%，都在设计要求的范围内。
图4.8场曲和畸变曲线
图4.10MTF的曲线是最后的目镜设计结果，在特征频率40lp/mm处每一个视场的对比度均都比0.29大，所以都在目视光学仪器的要求的范围内。
图4.9MTF曲线
4.5瞄准镜光学系统光路
将以上组合物镜的设计结果与目镜倒置后的设计结果拼接起来，并考虑光瞳衔接原则，得到瞄准镜的光学系统如图4.11所示。
图4.10瞄准镜的光学系统
4.6小结
根据光学系统设计的技术指标，通过采用光学设计软件ZEMAX对外形尺寸进行了详细的推导计算，同时对物镜组和目镜分别进行了结构设计及优化设计，给出了设计结果及相应的像质评价，分析了各个组成部分的像差特性和光学特性。最后设计出瞄准镜的总体光学系统图。
总结与展望
本论文主要概述了轻武器瞄准设备的国际和国内研究情况、瞄准设备的种类以及系统地分析了瞄准镜主要组成工件的光学特性。所做的重点工作是利用zemax软件系统设计射击瞄准镜的物镜组和目镜组，以及像差分析。
通过该课题的研究讨论,重点完成和解决的关键技术与工作如下：
（1）按照设计要求完成了光学瞄准镜光学系统的外形尺寸计算。
（2）在物镜组的设计中，推导了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组的光焦度分配公式，同时完成优化结果及像质评价。
（3）在目镜的设计中，研究了长出瞳距目镜的结构形式和像差特点，同时完成优化结果及像质评价。
（4）最终给出了射击瞄准镜光学系统的完整光路图。
随着我国经济不断发展，国际地位日益提高，军事实力支撑不可或缺，提高武器装备性能迫在眉睫，对瞄准镜光学系统的研究更加深入，随着新技术的发展，以实现智能化、高精度定位、全天候观测、激光测距、实时信息传输等功能的综合瞄准镜光学系统为目标，融合微光、激光、红外等技术对瞄准镜光学系统进行深入细致研究。
总之，瞄准镜的光学系统技术随着科技的高速发展也进入了自己的飞速发展阶段，未来要对光学瞄准镜的性能改善还有更大的空间，还要更多更好的技术可以融化在一起，期待为武器装备发挥更大的效益。
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致谢
随着论文的完成，大学也接近尾声了。在本次论文完成过程中，我特别感激我的指导老师对我的帮助。在去年刚拿到毕业设计题目的时候，我对于写论文这件事还是一头雾水，对写论文这件事完全没有规划。好在我的指导老师在十月份便早早联系我，督促我完成开题报告和任务书，为我传授写好论文的几个重要方法。十一月份我上交了开题报告和任务书，老师耐心指出了我存在的问题，通过好几次修改制定出了比较合理的开题报告和任务书，对毕业设计有了非常清晰的初步规划。当我在遇到技术问题时，总会给指导老师留言寻求帮助，甚至经常跑去老师的办公室提问，老师总是第一时间回复，解答我的疑问。我的论文能成功完成，离不开指导老师对我的耐心教导。在这里，再一次衷心感谢我的指导老师！
其次，我要感谢我的同学，在跟他们探讨技术性问题时，他们教会了我很多技术和方法。我在写论文的时候，存在不少小问题，我的同学们总是一针见血指出我的问题所在，让我的论文得以完善。
时光如白驹过隙，大学时光一晃而过。很荣幸来到这里，结实一群有志向的同学，从经验丰富的老师那里学到扎实的专业知识。今后，必定不会忘记老师的谆谆教诲，乘风破浪，一往无前！
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