單管微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、 單管微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書1 概述1. 背景2. 現(xiàn)狀及發(fā)展局勢3. 意義及目的4. 工作原理5. 總體結(jié)構(gòu)分析2 計算說明3 結(jié)論4 心得5 致謝6 參考文獻 精密機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計任務(wù)書2010級光電信息類專業(yè)實驗班一、 題目：單管微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計二、 光學(xué)系統(tǒng)：1 光學(xué)系統(tǒng)圖：見圖紙12 光學(xué)零件圖：見圖紙2三、 技術(shù)性能與要求 1本單管微光夜視儀是用于夜間遠距離觀測的一種手持式儀器，要求其體積小、重量輕，便于攜帶，并按技術(shù)要求，完成必要的功能設(shè)計； 2光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為3.5倍； 3調(diào)焦范圍為1m； 4視度調(diào)節(jié)范圍為5個視度，并顯示視度值，格值為1個視度； 5調(diào)焦及視度調(diào)節(jié)應(yīng)

2、在3600范圍內(nèi)完成； 6本儀器之物鏡筒及目鏡筒應(yīng)能防脫， 7本儀器之物鏡及目鏡應(yīng)具備防雜光功能。四、 設(shè)計任務(wù)1儀器裝配圖一張；2儀器零件圖一張：目鏡筒零件圖；3設(shè)計說明書一份（字數(shù)不低于5000字），要求有概述、有計算說明、有結(jié)論、有心得、有致謝及參考文獻；4參考文獻：自定；5時間：2012年12月29日2013年1月10日 2013年1月10日下午答辯交論文學(xué)號 成 績 學(xué)生 指導(dǎo)教師 1 概述1. 背景 “漆黑的夜晚”,天空仍然充滿了光線,這就是所謂“夜天輻射”。夜天輻射來自太陽、地球、月亮、星球、云層、大氣等自然輻射源。只是由于其光度太弱(低于人眼視覺閾值),不足以引起人眼的視覺感知

3、。把這種微弱光輻射增強至正常視覺所要求的程度,是微光夜視技術(shù)工作的核心任務(wù)。微光夜視技術(shù)致力于探索夜間和其他低光照度時目標圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換、增強、記錄和顯示,它的成就集中表現(xiàn)為使人眼視覺在時域、空域和頻域的有效擴展。就時域而言,它克服“夜盲”障礙,使人們在夜晚行動自如。就空域而言,它使人眼在低光照空間(如地下室、山洞、隧道)仍能實現(xiàn)正常視覺。就頻域而言,它把視覺頻段向長波區(qū)延伸,使人眼視覺在近紅外區(qū)仍然有效。在軍事上,微光夜視技術(shù)已實用于夜間偵察、瞄準、車輛駕駛、光電火控和其他戰(zhàn)場作業(yè),并可與紅外、激光、雷達等技術(shù)結(jié)合,組成完整的光電偵察、測量和告警系統(tǒng)。微光夜視器材已成為部隊武器裝備中重

4、要的組成部分。當(dāng)然,微光夜視技術(shù)也在天文、公安、航天、海洋事業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。許多暗室作業(yè)、涵洞作業(yè)也采用了此類技術(shù)。 近年來, 以美國為首的西方國家發(fā)起了海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等重要軍事行動。從戰(zhàn)場的實況我們認識到, 現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)生了很大的改變,“寧靜的夜晚”已成為過去, 而利用夜色的掩護, 憑借先進技術(shù), 使夜晚成為強勢一方單項透明的戰(zhàn)場, 只需付出極小的代價便能獲得驕人的戰(zhàn)果。作為發(fā)展中國家, 我們不謀求霸權(quán), 但是為了維護國家的安全穩(wěn)定、保證經(jīng)濟文化的快速發(fā)展、打擊恐怖主義等, 我軍必須具備夜戰(zhàn)防御和反擊能力。 因為技術(shù)封鎖, 我國無法進口美歐的先進裝備。只能利用有限的資料和有

5、限的科研投入進行自主研發(fā)。即便是在如此艱苦的條件下, 我國已研發(fā)了多款功能強、性能優(yōu)的夜視裝備。下面就以微光夜視儀為例具體回顧夜視技術(shù)的發(fā)展。2. 現(xiàn)狀及發(fā)展局勢2.1國外微光夜視儀的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國外已經(jīng)有四代微光夜視儀產(chǎn)品裝備部隊。由于它克服了主動紅外夜視的致命弱點，所以一出現(xiàn)，便成為夜視領(lǐng)域的發(fā)展重點。 1955年A.H.薩默發(fā)明了高靈敏度的多堿(銻鉀鈉艷)光電陰極，微光夜視技術(shù)迅速發(fā)展。1962年，美國人研制成功像增強器，使得夜視器材的發(fā)展產(chǎn)生了一個飛躍。1966年在侵越戰(zhàn)場，美國將利用級聯(lián)像增強技術(shù)投入實戰(zhàn)應(yīng)用，研制成功了第一代微光夜視儀，于70年進行批量生產(chǎn)，裝備部隊。主要有AN

6、用VS一2星光鏡， AN/TVS一2班組武器瞄準鏡和AN/TVS一4微光觀察。 第一代像增強器不用照明源，全被動方式工作，隱蔽性好，增益高，成像清晰，可作為重武器和裝甲車輛的微光觀察鏡、瞄準鏡以及遠距離夜間觀察裝置。但它的防強光性能差，特別是當(dāng)戰(zhàn)場上出現(xiàn)強閃光時。整個畫面出現(xiàn)光暈和開花，觀察不到目標，在戰(zhàn)火彌漫的戰(zhàn)場上難以使用;且體積較大，重量較重，限制了它在輕武器、頭盔鏡上的應(yīng)。 微光夜視儀能耗小，但是體積仍然嫌大，為克服第一代微光夜視儀的缺點，越戰(zhàn)期間，美國人又研制成了微通道板像增強器，于是第二代微光夜視儀應(yīng)運而生。一只微通道板像增強器的增益即可達到三級級聯(lián)像增強器的同樣水平，因而大大地減

7、小了儀器的體積和重量。通道電子倍增器的電子增益與通道的大小無關(guān)，所以可以做得極小，將其并列起來組成陣列，就可以用來傳遞顯示圖像了，甚至可以使圖像的亮度增加幾千乃至上萬倍。第二代總長度是第一代的1/3，甚至更短，質(zhì)量輕，使制成的夜視儀整機尺寸大大降低。例如美國步槍用AN用VS一3微光瞄準鏡，比第一代長度縮短2/3，質(zhì)量減輕一半，而靈敏度卻大幅度提。 第三代微光夜視儀于70年代初期開始研究，是世界上最精密的夜視技術(shù)，自80年代末美軍開始裝備。第三代微光夜視器件的主要特色是將透射式GaAS光陰極和帶A12O3，離子壁壘膜的MCP引入近貼微光管中。.第三代產(chǎn)品具有體積小，重量輕、圖像清晰、功能全、實用

8、等特點。第二代和第三代夜視器材目前仍是西方軍隊裝備的主流。 美陸軍地面部隊用的新一代在役夜視裝置主要為單筒眼鏡，如當(dāng)前最先進的 AN/PVS一14結(jié)合了第三代“超級”MX一10160型無源像增強管和航空用夜視鏡AN/AVS一6的優(yōu)點，有助于增強觀察、指揮和控制能力，它比 AN/PVS一7D分辯率更高、重量更輕，步兵作戰(zhàn)小組指揮員使用起來更加靈活可戴到頭上，觀察距離也大大增。2.1國內(nèi)外微光夜視技術(shù)發(fā)展的差距 歐美各國對發(fā)展夜視都非常的重視，均投入大量的人力、物力和財力。我國微光夜視技術(shù)發(fā)展緩慢，與先進國家相比有很大的差距，而在投資強度、設(shè)備條件、配套基礎(chǔ)材料、元器件性能質(zhì)量方面差距更大。 我國

9、在1980年開始定型生產(chǎn)第一代微光夜視儀。第一代微光夜視儀體積較大、重量較重，且像質(zhì)也不理想，因此大多數(shù)用于夜間觀察，而極少用于武器瞄準。我國于1984年10月首次研制成功裝有微通道板的第二代像增強器?？梢杂米霭嘟M武器的瞄準具，也可以單獨作為觀察儀器使用，具有排除強光干擾的功能。 我國國內(nèi)的夜視儀發(fā)展己經(jīng)經(jīng)歷一代和二代，目前正步入第三代夜視儀器的發(fā)展，而國外已進入第四代的夜視儀器的研發(fā)。所以我國在夜視儀器方面的發(fā)展與國外有很長的一段距離。3. 微光夜視儀的意義 機械系統(tǒng)是微光夜視儀的重要組成部分，由于該夜視儀是軍事作戰(zhàn)中用于頭盔上的微光夜視成像系統(tǒng)，對重量、體積指標要求非常嚴格，所以在進行機械

10、結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要在保證夜視儀性能的前提下，應(yīng)盡力使其整個結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。為提高我軍作戰(zhàn)能力，所以有必要對微光夜視儀做結(jié)構(gòu)優(yōu)化。4. 微光夜視儀的工作原理4.1工作原理 微光夜視儀系統(tǒng)如圖2.1所示，其結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成:一部分是光學(xué)系統(tǒng)，包括目鏡和物鏡;另一部分是像增強器，即光電轉(zhuǎn)換放大部分，包括像增強器及其必須的高壓電源。目前，多數(shù)的像增強器已經(jīng)將電源集成，封裝在一個殼體內(nèi)。 圖2.1微光夜視儀工作原理圖4.2光學(xué)系統(tǒng)圖 圖2.2微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 計算說明 1.技術(shù)性能及要求 （1）本單管微光夜視儀是用于夜間遠距離觀測的一種手持式儀器，要求其體積小、重量輕，便于攜帶，并按技術(shù)要求

11、，完成必要的功能設(shè)計； （2）光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為3.5倍； （3）調(diào)焦范圍為1m； （4）視度調(diào)節(jié)范圍為5個視度，并顯示視度值，格值為1個視度； （5）調(diào)焦及視度調(diào)節(jié)應(yīng)在3600范圍內(nèi)完成； （6）本儀器之物鏡筒及目鏡筒應(yīng)能防脫， （7）本儀器之物鏡及目鏡應(yīng)具備防雜光功能。2微光夜視儀物鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算2.1調(diào)焦環(huán)參數(shù)計算 調(diào)焦機構(gòu)應(yīng)滿足以下要求:1)為了像面保持穩(wěn)定，調(diào)焦機構(gòu)要能夠自鎖;2)為了方便控制，調(diào)焦機構(gòu)的精度要足夠高;3)調(diào)焦機構(gòu)要滿足調(diào)焦范圍要求;4)調(diào)焦機構(gòu)的穩(wěn)定性要有保證。 在物鏡結(jié)構(gòu)中，要求實現(xiàn)從1m到無窮遠的調(diào)焦;首先對調(diào)焦量進行計算:由高斯公式得到物像關(guān)系式為: (

12、2.1)式中：像距（單位mm）； 物距（單位mm）； 物鏡焦距，實際計算值為78.560mm。當(dāng)物距為1m時，由公式2.1得： =85.258(mm)同理，當(dāng)物距為時，計算得像距得： =78.560（mm） 因此要求的調(diào)焦量為: S=85.258-78.560=6.70(mm) 同時，為使作戰(zhàn)人員在最短的時間內(nèi)清晰地捕捉到目標，軍品要求調(diào)焦環(huán)在轉(zhuǎn)動不到一圈的范圍內(nèi)達到所需要的調(diào)焦量，因此該機構(gòu)采用大螺距矩型螺旋槽式內(nèi)調(diào)焦螺旋傳動。 計算如下： （2.2）式中：螺桿（或螺母）的移動距離； 螺旋線頭； 螺距； 螺桿（或螺母）移動的角度。當(dāng)=360時，即螺桿(或螺母)轉(zhuǎn)動一圈，螺桿(或螺母)的移動距

13、離為 此時，S=6.70mm, 令=4 =2 ,代入式2.2中得螺距=301.50 即當(dāng)調(diào)焦環(huán)轉(zhuǎn)過301.50時，可滿足調(diào)焦量的要求。2.微光夜視儀目鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算2.1由于每個人的視度都是不同的，為了保證每位操作者能夠按著自己的視度清晰地觀察目標，一個目鏡應(yīng)有單獨的調(diào)焦功能，可以調(diào)整由調(diào)焦造成的視度差，從而適應(yīng)不同使用者的眼睛。 視度分劃圈上的分劃值，可以按式3.1計算: (3.1)式中：D視度； D個視度時分劃圈的角度； 目鏡的焦距（毫米）； 多頭螺紋的螺距(毫米); 多頭螺紋的頭數(shù)。視度調(diào)節(jié)范圍希望在限制在一周以內(nèi)，即應(yīng)小于360。一般取 =270或320。 本文在目鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中

14、設(shè)計一個視度調(diào)節(jié)環(huán)，實現(xiàn)從5屈光度到+5屈光度的調(diào)節(jié)要求。在該調(diào)節(jié)機構(gòu)中也同樣采用大螺距矩型螺旋槽式內(nèi)調(diào)焦螺旋傳動，以保證操作者能在短時間內(nèi)達到調(diào)節(jié)目的。通常要求調(diào)節(jié)環(huán)(即視度圈)在轉(zhuǎn)動不到一圈內(nèi)完成調(diào)節(jié)任務(wù)。根據(jù)公式3.1計算如下: 當(dāng)D=+5屈光度時，=+798.57(度毫米)(順時針旋轉(zhuǎn)） 當(dāng)D=5屈光度時，=798.57(度毫米)（逆時針旋轉(zhuǎn)）；其中，為目鏡焦距，為21.060mm。所以，當(dāng)D=1個視度時，=159.7(度毫米);取n=4, p=1.5 得到 =26.60又當(dāng)每目鏡轉(zhuǎn)過一個視度時，軸向移動過的距離是0.44mm，所以 由（2.2）式，得 =158.4（度毫米）；所以，取

15、n=4, p=1.5 得到 =26.40，小于360，滿足設(shè)計要求。 即目鏡系統(tǒng)螺紋n=4，p=1.5 ， =26.40即在264范圍內(nèi)就可達到調(diào)節(jié)量的要求。3 結(jié)論與展望 1.結(jié)論 本文從微光夜視儀的設(shè)計要求和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)微光夜視儀的技術(shù)指標，給出了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 對微光夜視儀物鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算，并完成了微光夜視儀物鏡組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 對微光夜視儀目鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算，并完成了目鏡組結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 2.展望 微光夜視儀的第三代產(chǎn)品是以具有高量子效率的半導(dǎo)體砷化鎵作為光電陰極的象增強器組成。比第二代產(chǎn)品,它具有靈敏度高3倍(達1000微安/流明)、響應(yīng)波長長(達1.062.1)

16、,暗電流小(只有前者的千分之一)、分辯率高而且壽命長5倍等優(yōu)點,故為當(dāng)今的發(fā)展方向。 美國瓦里安公司研制成GaAs象增強器,最小靈敏度為900微安/流明。法國湯姆遜通用無線電公司也制成第三代象增強器,長30mm,37mm,重75g,靈敏度達1000微安/流明。 美國休斯公司采用第三代象增強器制成第三代微光夜視儀,VNVA-310型等,已開始投入實用。 第三代產(chǎn)品的關(guān)鍵部件是GaAs光電陰極,它是在平面單晶的基底上用半導(dǎo)體晶體外延生長工藝形成。首先是在300厚度的GaAs單晶襯底上外延生長出10厚的GaAlAsn層,然后再旋轉(zhuǎn)生長2厚的GaAs層,最后再生長10厚的GaAlAs層。當(dāng)GaAs襯底

17、和外延層的第一層用一系列化學(xué)方法腐蝕掉后,GaAs 2厚的光電陰極作用層便顯露出來,宣告制成。 作為微光電視儀的重要發(fā)展方向是采用電荷耦合器件(CCD、Charge CoupledDevice)。它是一種以半導(dǎo)體硅材料為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路(VLSI)功能器件,是當(dāng)今圖像儀器中作為圖像傳感器的佼佼者,由于CCD的高清晰度和高靈敏度以及低功耗、小體積、高可靠等特點,同樣在微光電視領(lǐng)域顯示出誘人的潛力。 美國福特航空航天公司在一個硅芯片上制成440萬個(25921720)象素和1600萬個(40964096)象素的相當(dāng)于超大規(guī)模集成電路的大型高密度CCD圖像傳感器陣列,集成度特高,而其信號電平可

18、低至10個電子。這一令人瞠目的非凡成就,顯示了CCD的潛能,給人們帶來了新的鼓舞。 美國仙童公司開發(fā)成功體積僅為633825mm、重僅57g的CCD微光電視攝像機。 日本竹中系統(tǒng)儀器公司制成能在星光下拍攝電視的高靈敏度微光攝像機,它由CCD傳感器芯片和一個光增益為85000倍的象增強器組成,可在陰霾星光10-4lx下工作。 美國布爾萊工業(yè)公司新推出增強型CCD(I-CCD),已在微光電視、激光測距、天文、光譜學(xué)中獲得應(yīng)用。該攝像機采用象增強器帶有16mm光纖輸入和耦合至CCD的11mm的光纖輸出,清晰度達450電視線,靈敏度達10-5lx。 德國SIM安全與電子系統(tǒng)公司也研制成微光CCD電視攝

19、像機,靈敏度特高,可在10-6lx下工作,光動態(tài)范圍10+510-6lx,達到了很高水平。 德國B&M光譜公司研制成功冷卻型CCD電視攝像機,10241024個象素,用珀爾帖制冷,-75,更好的效果是用液氮致冷,-150,該攝像機靈敏度高達10-11lx,其靈敏度水平之高,不僅可在“全黑”夜間攝取圖像,而且可檢測出單個光子! 可以認為,CCD、電子轟擊型CCD(EB-CCD)、增強型CCD(I-CCD)和冷卻型CCD,是發(fā)展微光夜視儀器的又一重要分支。4 心得 通過這次課程設(shè)計，我無論從知識還是能力方面都受益匪淺，知識方面有關(guān)于微光夜視儀的原理，結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的，也有關(guān)于CAD制圖方面的，同時也鞏固了關(guān)于光學(xué)方面的知識，知道了微光夜視系統(tǒng)是一個