一种潜望镜周视光学系统的研究与设计

　　潜望镜自从在潜艇上使用以来，其发展迅速，种类和型号繁多，所能提供的信息和实现的功能也多种多样。研究和设计新型潜望镜对提高潜艇战斗力具有十分重要的意义。潜望镜的光学系统是潜望镜的重要组成部分，在潜望镜的光路中加入可实现转像作用的道威棱镜，使其和物镜一起旋转，可以使观察者保持固定位置，不必随镜头转动就能周视外部全景，这有利于节约观察者的观察时间，缩短潜望镜头部暴露时间，对提高潜艇隐蔽性具有重要意义。

　　1 潜望镜基本光学系统原理

　　潜望镜的基本功能是供观察者在水下观察海面或空中目标，因此其基本光学系统是一个望远系统，所以潜望镜在本质上就是一具望远镜[1]。潜望镜基本光学系统是潜艇潜望镜的主观察系统，是能实现对目标的望远和潜望功能的光学系统。系统的基本关系式为

式中: Γ 为望远系统的放大率; β转为转像系统的横向放大率; f'物、f'目分别为物镜、目镜的焦距; ω、ω'分别为物方、像方的视场角; D、D'分别为系统入瞳和出瞳直径; n 为转像系统的组数。

　　潜望镜望远系统原理如图 1 所示。图中: 场镜 L2位于物镜 L1的焦面上，轴上物点发出光线在 L3和 L4之间平行于光轴，故系统 L1、L2、L3组成 1 个望远系统，L4和 L5则组成另 1个望远系统，二系统共同构成了 1 个双望远系统。但是，潜望镜的光学系统不仅要完成望远功能，还要能实现潜望功能。如图 2 所示，从远方海面目标射来的平行光束经保护玻璃 1 后被上反射镜 2 所反射而垂直向下行进，通过变倍系统3 再由物镜 4 会聚于其后焦面 A1上，在 A1上放置分划镜 5。物镜后焦面与转像系统前半组透镜 6 的前焦面重合，因此仍以平行光束从转像系统前半组透镜 6 射出，之后又被转像系统后半组透镜 7 会聚于其后焦面 A2上。在透镜 7 下面放有下反射镜 8，使光线射向水平放置的目镜 9。由于目镜 9 的前焦面与潜望镜 7 的后焦面重合，因此，光线经目镜后仍以平行光束射出，最后进入位于目镜后面观察者的眼睛。可见从远方目标发来的平行光束经潜望镜这个望远系统后，仍以平行光束射入观察者眼睛。这和用眼睛直接观察远方目标是相似的，但是目标的视角却被放大了。图 2 所示的望远系统为了瞄准而放置了 1 个分划镜，所以该望远系统是 1 个开普勒望远系统。

　　2 周视光学系统的光路设计

　　为了能在水平面和垂直面改变光路的方向，可以将光轴上端 O1点处的直角棱镜绕水平轴和垂直轴转动。当棱镜绕经过 O1点且垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转; 但当棱镜绕 O1O2轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面也将随之转动，如果要求像平面不转，就必须使像面产生一个相反方向的转动，这样就必须加入一个棱镜，以利用他的转动来补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变，这样便实现了周视效果。根据棱镜转动定理，加入的棱镜反射次数应该为奇数，而道威棱镜作为一种 1 次反射棱镜恰好能满足这一要求。