1、 单管微光夜视仪结构设计说明书1概述1.背景2.现状及发展局势3.意义及目的4.工作原理5.总体结构分析2计算说明3结论4心得5致谢6参考文献精密机械设计基础 课程设计任务书2010 级光电信息类专业实验班一、 题目：单管微光夜视仪结构设计二、 光学系统：1光学系统图：见图纸 12光学零件图：见图纸 2三、 技术性能与要求1本单管微光夜视仪是用于夜间远距离观测的一种手持式仪器，要求其体积小、重量轻，便于携带，并按技术要求，完成必要的功能设计；2光学系统的放大倍率为 3.5 倍；3调焦范围为 1m；4视度调节范围为5 个视度，并显示视度值，格值为 1 个视度；5调焦及视度调节应在 3600 范围
2、内完成；6本仪器之物镜筒及目镜筒应能防脱，7本仪器之物镜及目镜应具备防杂光功能。四、 设计任务1仪器装配图一张；2仪器零件图一张：目镜筒零件图；3设计说明书一份（字数不低于 5000 字） ，要求有概述、有计算说明、有结论、有心得、有致谢及参考文献；4参考文献：自定；5时间：2012 年 12 月 29 日2013 年 1 月 10 日2013 年 1 月 10 日下午答辩交论文学号 成 绩 学生 指导教师 1概述1.背景“漆黑的夜晚”,天空仍然充满了光线,这就是所谓“夜天辐射” 。夜天辐射来自太阳、地球、月亮、星球、云层、大气等自然辐射源。只是由于其光度太弱(低于人眼视觉阈值), 不足以引起
3、人眼的视觉感知。把这种微弱光辐射增强至正常视觉所要求的程度,是微光夜视技术工作的核心任务。微光夜视技术致力于探索夜间和其他低光照度时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和显示,它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、空域和频域的有效扩展。就时域而言,它克服“夜盲”障碍,使人们在夜晚行动自如。就空域而言,它使人眼在低光照空间(如地下室、山洞、隧道) 仍能实现正常视觉。就频域而言,它把视觉频段向长波区延伸,使人眼视觉在近红外区仍然有效。在军事上,微光夜视技术已实用于夜间侦察、瞄准、车辆驾驶、光电火控和其他战场作业,并可与红外、激光、雷达等技术结合,组成完整的光电侦察、测量和告警系统。微光夜视器材已成为
4、部队武器装备中重要的组成部分。当然,微光夜视技术也在天文、公安、航天、海洋事业等领域得到应用。许多暗室作业、涵洞作业也采用了此类技术。近年来, 以美国为首的西方国家发起了海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等重要军事行动。从战场的实况我们认识到, 现代战争发生了很大的改变,“宁静的夜晚”已成为过去, 而利用夜色的掩护, 凭借先进技术, 使夜晚成为强势一方单项透明的战场, 只需付出极小的代价便能获得骄人的战果。作为发展中国家, 我们不谋求霸权, 但是为了维护国家的安全稳定、保证经济文化的快速发展、打击恐怖主义等, 我军必须具备夜战防御和反击能力。因为技术封锁, 我国无法进口美欧的先进装备。只能利用有
5、限的资料和有限的科研投入进行自主研发。即便是在如此艰苦的条件下, 我国已研发了多款功能强、性能优的夜视装备。下面就以微光夜视仪为例具体回顾夜视技术的发展。2.现状及发展局势2.1 国外微光夜视仪的发展现状目前，国外已经有四代微光夜视仪产品装备部队。由于它克服了主动红外夜视的致命弱点，所以一出现，便成为夜视领域的发展重点。1955 年 A.H.萨默发明了高灵敏度的多碱(锑钾钠艳)光电阴极，微光夜视技术迅速发展。1962 年，美国人研制成功像增强器，使得夜视器材的发展产生了一个飞跃。1966 年在侵越战场，美国将利用级联像增强技术投入实战应用，研制成功了第一代微光夜视仪，于 70 年进行批量生产，
6、装备部队。主要有 AN用 VS 一 2 星光镜， AN/TVS 一 2 班组武器瞄准镜和 AN/TVS 一 4 微光观察。1镜第一代像增强器不用照明源，全被动方式工作，隐蔽性好，增益高，成像清晰，可作为重武器和装甲车辆的微光观察镜、瞄准镜以及远距离夜间观察装置。但它的防强光性能差，特别是当战场上出现强闪光时。整个画面出现光晕和开花，观察不到目标，在战火弥漫的战场上难以使用;且体积较大，重量较重，限制了它在轻武器、头盔镜上的应 。2用微光夜视仪能耗小，但是体积仍然嫌大，为克服第一代微光夜视仪的缺点，越战期间，美国人又研制成了微通道板像增强器，于是第二代微光夜视仪应运而生。一只微通道板像增强器的增
7、益即可达到三级级联像增强器的同样水平，因而大大地减小了仪器的体积和重量。通道电子倍增器的电子增益与通道的大小无关，所以可以做得极小，将其并列起来组成阵列，就可以用来传递显示图像了，甚至可以使图像的亮度增加几千乃至上万倍。第二代总长度是第一代的1/3，甚至更短，质量轻，使制成的夜视仪整机尺寸大大降低。例如美国步枪用AN 用 VS 一 3 微光瞄准镜，比第一代长度缩短 2/3，质量减轻一半，而灵敏度却大幅度提 。高第三代微光夜视仪于 70 年代初期开始研究，是世界上最精密的夜视技术，自 80 年代末美军开始装备。第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式 GaAS光阴极和带 A12O3，离子壁垒膜的
8、MCP 引入近贴微光管中。.第三代产品具有体积小，重量轻、图像清晰、功能全、实用等特点。第二代和第三代夜视器材目前仍是西方军队装备的主流。美陆军地面部队用的新一代在役夜视装置主要为单筒眼镜，如当前最先进的AN/PVS 一 14 结合了第三代“超级”MX 一 10160 型无源像增强管和航空用夜视镜 AN/AVS 一 6 的优点，有助于增强观察、指挥和控制能力，它比 AN/PVS 一 7D 分辩率更高、重量更轻，步兵作战小组指挥员使用起来更加灵活可戴到头上，观察距离也大大增 。4加2.1 国内外微光夜视技术发展的差距欧美各国对发展夜视都非常的重视，均投入大量的人力、物力和财力。我国微光夜视技术发
9、展缓慢，与先进国家相比有很大的差距，而在投资强度、设备条件、配套基础材料、元器件性能质量方面差距更大。我国在 1980 年开始定型生产第一代微光夜视仪。第一代微光夜视仪体积较大、重量较重，且像质也不理想，因此大多数用于夜间观察，而极少用于武器瞄准。我国于 1984 年 10 月首次研制成功装有微通道板的第二代像增强器。可以用做班组武器的瞄准具，也可以单独作为观察仪器使用，具有排除强光干扰的功能 。5我国国内的夜视仪发展己经经历一代和二代，目前正步入第三代夜视仪器的发展，而国外已进入第四代的夜视仪器的研发。所以我国在夜视仪器方面的发展与国外有很长的一段距离。3.微光夜视仪的意义机械系统是微光夜视
10、仪的重要组成部分，由于该夜视仪是军事作战中用于头盔上的微光夜视成像系统，对重量、体积指标要求非常严格，所以在进行机械结构设计时，要在保证夜视仪性能的前提下，应尽力使其整个结构简单，重量轻。为提高我军作战能力，所以有必要对微光夜视仪做结构优化。4.微光夜视仪的工作原理4.1 工作原理微光夜视仪系统如图 2.1 所示，其结构主要由两部分组成:一部分是光学系统，包括目镜和物镜;另一部分是像增强器，即光电转换放大部分，包括像增强器及其必须的高压电源。目前，多数的像增强器已经将电源集成，封装在一个壳体内。图 2.1 微光夜视仪工作原理图4.2 光学系统图图 2.2 微光夜视仪光学系统结构图2计算说明1.
11、技术性能及要求（1）本单管微光夜视仪是用于夜间远距离观测的一种手持式仪器，要求其体积小、重量轻，便于携带，并按技术要求，完成必要的功能设计；（2）光学系统的放大倍率为 3.5 倍；（3）调焦范围为 1m；（4）视度调节范围为5 个视度，并显示视度值，格值为 1 个视度；（5）调焦及视度调节应在 3600 范围内完成；（6）本仪器之物镜筒及目镜筒应能防脱，（7）本仪器之物镜及目镜应具备防杂光功能。2 微光夜视仪物镜组结构参数的计算2.1 调焦环参数计算调焦机构应满足以下要求:1)为了像面保持稳定，调焦机构要能够自锁;2)为了方便控制，调焦机构的精度要足够高;3)调焦机构要满足调焦范围要求;4)调
12、焦机构的稳定性要有保证。在物镜结构中，要求实现从 1m 到无穷远的调焦 ;首先对调焦量进行计算:由高斯公式得到物像关系式为:(2.1)1fl式中： 像距（单位 mm） ；l物距（单位 mm） ；物镜焦距，实际计算值为 78.560mm。f当物距为 1m 时，由公式 2.1 得：=85.258(mm)l同理，当物距为时，计算得像距得：=78.560（mm ） l因此要求的调焦量为:S=85.258-78.560=6.70(mm)同时，为使作战人员在最短的时间内清晰地捕捉到目标，军品要求调焦环在转动不到一圈的范围内达到所需要的调焦量，因此该机构采用大螺距矩型螺旋槽式内调焦螺旋传动 。6计算如下：（
13、2.2）2npl式中： 螺杆（或螺母）的移动距离；l螺旋线头；螺距； 螺杆（或螺母）移动的角度。当 =360时，即螺杆(或螺母)转动一圈，螺杆(或螺母)的移动距离为此时，S= =6.70mm, 令 =4 =2 ,代入式 2.2 中得螺距 =301.50 即lnp当调焦环转过 301.50 时，可满足调焦量的要求。2.微光夜视仪目镜组结构参数的计算2.1 由于每个人的视度都是不同的，为了保证每位操作者能够按着自己的视度清晰地观察目标，一个目镜应有单独的调焦功能，可以调整由调焦造成的视度差，从而适应不同使用者的眼睛 。7视度分划圈上的分划值，可以按式 3.1 计算:(3.1)Dnpf103620目
14、式中：D 视度；D 个视度时分划圈的角度；目镜的焦距（毫米） ；f目多头螺纹的螺距(毫米);t多头螺纹的头数。n视度调节范围希望在限制在一周以内，即 应小于 360。一般取=270或 320。本文在目镜光学系统结构中设计一个视度调节环，实现从5 屈光度到+5 屈光度的调节要求。在该调节机构中也同样采用大螺距矩型螺旋槽式内调焦螺旋传动，以保证操作者能在短时间内达到调节目的。通常要求调节环(即视度圈)在转动不到一圈内完成调节任务。根据公式 3.1 计算如下:当 D=+5 屈光度时， =+798.57(度毫米)(顺时针旋转）np当 D=5 屈光度时， =798.57( 度毫米 )（逆时针旋转） ；其
15、中， 为目镜焦距，为 21.060mm。f目所以，当 D=1 个视度时， =159.7(度毫米);np取 n=4, p=1.5 得到 =26.6 0又当每目镜转过一个视度时，轴向移动过的距离是 0.44mm，所以 由（2.2）式，得 =158.4（度毫米） ；np所以，取 n=4, p=1.5 得到 =26.4 0，小于 360，满足设计要求。即目镜系统螺纹 n=4，p=1.5 ， =26.4 0即在 264范围内就可达到调节量的要求。3结论与展望1.结论本文从微光夜视仪的设计要求和光学系统结构出发，根据微光夜视仪的技术指标，给出了总体结构设计方案。对微光夜视仪物镜组结构参数进行了计算，并完成
16、了微光夜视仪物镜组的结构设计。对微光夜视仪目镜结构参数设计计算，并完成了目镜组结构的设计。2.展望微光夜视仪的第三代产品是以具有高量子效率的半导体砷化镓作为光电阴极的象增强器组成。比第二代产品,它具有灵敏度高 3 倍(达 1000 微安/ 流明)、响应波长长(达 1.062.1),暗电流小(只有前者的千分之一)、分辩率高而且寿命长 5 倍等优点,故为当今的发展方向。美国瓦里安公司研制成 GaAs 象增强器,最小灵敏度为 900 微安/ 流明。法国汤姆逊通用无线电公司也制成第三代象增强器,长 30mm,37mm,重 75g,灵敏度达1000 微安/流明。美国休斯公司采用第三代象增强器制成第三代微
17、光夜视仪,VNVA-310 型等,已开始投入实用。第三代产品的关键部件是 GaAs 光电阴极,它是在平面单晶的基底上用半导体晶体外延生长工艺形成。首先是在 300 厚度的 GaAs 单晶衬底上外延生长出10 厚的 GaAlAsn 层,然后再旋转生长 2 厚的 GaAs 层,最后再生长 10 厚的GaAlAs 层。当 GaAs 衬底和外延层的第一层用一系列化学方法腐蚀掉后,GaAs 2 厚的光电阴极作用层便显露出来,宣告制成。作为微光电视仪的重要发展方向是采用电荷耦合器件(CCD、Charge CoupledDevice)。它是一种以半导体硅材料为基础的超大规模集成电路(VLSI)功能器件,是当
18、今图像仪器中作为图像传感器的佼佼者,由于 CCD 的高清晰度和高灵敏度以及低功耗、小体积、高可靠等特点,同样在微光电视领域显示出诱人的潜力。美国福特航空航天公司在一个硅芯片上制成 440 万个(25921720)象素和1600 万个(40964096) 象素的相当于超大规模集成电路的大型高密度 CCD 图像传感器阵列,集成度特高,而其信号电平可低至 10 个电子。这一令人瞠目的非凡成就,显示了 CCD 的潜能 ,给人们带来了新的鼓舞。美国仙童公司开发成功体积仅为 633825mm、重仅 57g 的 CCD 微光电视摄像机。日本竹中系统仪器公司制成能在星光下拍摄电视的高灵敏度微光摄像机,它由CC
19、D 传感器芯片和一个光增益为 85000 倍的象增强器组成,可在阴霾星光 10-4lx下工作。美国布尔莱工业公司新推出增强型 CCD(I-CCD),已在微光电视、激光测距、天文、光谱学中获得应用。该摄像机采用象增强器带有 16mm 光纤输入和耦合至CCD 的 11mm 的光纤输出 ,清晰度达 450 电视线,灵敏度达 10-5lx。德国 SIM 安全与电子系统公司也研制成微光 CCD 电视摄像机,灵敏度特高,可在 10-6lx 下工作,光动态范围 10+510-6lx, 达到了很高水平。德国 B&M 光谱公司研制成功冷却型 CCD 电视摄像机,10241024 个象素,用珀尔帖制冷,-75,更
20、好的效果是用液氮致冷,-150,该摄像机灵敏度高达 10-11lx,其灵敏度水平之高,不仅可在“全黑”夜间摄取图像,而且可检测出单个光子!可以认为,CCD 、电子轰击型 CCD(EB-CCD)、增强型 CCD(I-CCD)和冷却型CCD,是发展微光夜视仪器的又一重要分支。4心得通过这次课程设计，我无论从知识还是能力方面都受益匪浅，知识方面有关于微光夜视仪的原理，结构及其应用的，也有关于 CAD 制图方面的，同时也巩固了关于光学方面的知识，知道了微光夜视系统是一个复杂的系统，涉及到了许多的学科，要想做好它，需要熟悉掌握每一个方面的东西；能力方面，学会了如何去设计一个东西，学会了它的基本的步骤，相
21、信对以后的学习及工作有很大的帮助。5致谢本报告的工作是在我的老师高明的悉心帮助下完成的，高明老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。使我在这次课程设计获益匪浅。老师对学问的严谨更是我辈学习的典范。在此衷心感谢半个月来高明老师对我们的关心和指导。在完成报告期间，师兄师姐对我的设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。六参考文献1徐永祥，夜视技术与军事应用，工科物理，8(1):36 一 38(1995)2李景生，微光夜视技术及其军事应用展望，应用光学，18(2):1 一 3(1997)3刘红漫，国外头盔夜视镜系统的发展概况，光电与控制(2):38-42(1996)4Kenneth H.Huebner Earl A.Thorton. THE FINITEMETHOD FOR ENGINEE NGJOHN WILEY&SONS.Inc，19825Victor Genberg. Ray traeing from fiite element results.SPIE，OPtomechanical Design， 1993， 1998:72 一 826周海宪，程云芳， 光机系统设计M，北京:机械工业出版社。7龚曙光，邱爱红，谢桂兰.基于有限元分析的零部件优化设计研究与应用J.机械，2002，29(5):23 一 25.
