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ZEMAX光学设计实例（140）---一个枪用光学瞄准镜的设计

2021-12-20 10:19| 发布者：Davis| 查看：3286| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了一个步枪上用的光学瞄准镜的设计，利用ZEMAX光学设计软件进行实例演示。通过物镜组、校正镜组和目镜组的组合设计，实现了放大率为4X、视场角2ω=5°、入瞳直径为16mm、出瞳直径为4mm、TTL总长不超过400mm的技术指标要求。其中，采用透镜转像的方式进行光路的设计，达到了像散、慧差和垂轴色差的校正效果。

引言：

枪用瞄准镜有广泛的应用，其瞄准的原理是采用分划面与远处目标重合的对准方式，再通过目镜放大，使人眼能够看清分划面和远处目标，再配合有倍率的望远系统将远处目标放大，相比传统的机械瞄具瞄准镜，光学瞄准镜的瞄准精度高、瞄准速度快，尤其适合瞄准运动目标。

枪用光学瞄准镜主要分为三个部分：物镜组、中间的校正镜组和目镜组。也可能有其他透镜组来满足附加需求。

光学瞄准镜的典型产品，如下图：

望远式光学瞄准镜的光学系统主要是开普勒式，并增加了转像系统。转像系统分为棱镜转像和透镜转像，透镜转像具有体积小、重量轻等优势而使用最多。

技术指标：

设计一个用在步枪上的光学瞄准镜，放大率为4X，视场角2ω=5°，入瞳直径为16mm，出瞳直径为4mm，TTL总长不超过400mm。

参考ZEMAX自带的实例“Afocal Riflescope”。

光学设计：

（1）物镜组设计

入瞳直径为16mm，视场角比较小，可以选取双胶合物镜作为物镜的初始结构，相对孔径为1/10；并加入一个平凸透镜作为场镜，可以使整个光束靠近光轴，从而减小后面的透镜的尺寸，使出瞳更靠近目镜。

同时，分划板安装在物镜组的像面上。

在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“16.0”；

在视场设定对话框中设置3个视场（0，0.7，1视场），视场2ω=5°，Field Type为“angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C（visible）自动加入三个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看点列图：

（2）转像透镜组设计

转像透镜采用一个有限共轭距的柯克物镜，主要指标如下表：

F#	y	f	β
6.74	7.723	15.674mm	-1.777

在系统通用对话框中设置孔径，在孔径类型中选择“ImageSpace F/#”，并根据物镜组的设计要求输入“6.74”；

在视场设定对话框中设置3个视场（0、0.7、1），要选择“Object Height”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看点列图：

（3）目镜组设计

目镜选用一个单透镜+一个双胶合透镜，可以同时校正像散、慧差和垂轴色差，视场可以达到40~50度，用单透镜作为接目镜，出瞳距离lz`可以达到1/2焦距。

目镜采用反向设计。

在系统通用对话框中设置孔径，在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据物镜组的设计要求输入“4”；

在视场设定对话框中设置3个视场（0、0.7、1），要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看点列图：

（4）光学瞄准镜组合

现在将物镜组、转像透镜组和目镜组续接起来，形成一个完整的光学瞄准镜的光学系统。

在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“16.0”；并勾选“Afocal Image Space”。

在视场设定对话框中设置3个视场（0，0.7，1视场），视场2ω=5°，Field Type为“angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C（visible）自动加入三个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看点列图：

查看Ray Fan：

查看Field Curv/Dist：

参考资料：

《射击瞄准镜光学系统设计》

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