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战甲科普:常见光学瞄准镜原理及对比第一篇—

发布时间:2019-11-10 11:53编辑:军事力量浏览(89)

    正如《孙子兵法》在第一篇就指出 “兵者,诡道也”,笔者也需要在本文开头指出“光瞄者,眼见为虚”。为什么说是上当受骗呢?因为从各种光学瞄准镜输出的图像并不是全部真实的信息,

    光学显微镜的成像放大是由透镜来实现的。单透镜成象具有象差,严重影响成象质量。因此显微镜的主要光学部件都由透镜组合而成。从透镜的性能可知,只有凸透镜才能起放大作用,而凹透镜不行。显微镜的物镜与目镜虽都由透镜组合而成,但相当于一个凸透镜。

    正如《孙子兵法》在第一篇就指出 “兵者,诡道也”,笔者也需要在本文开头指出“光瞄者,眼见为虚”。

    为便于了解显微镜的放大原理,简要说明一下凸透镜的几种成象规律:

    为什么说是上当受骗呢?因为从各种光学瞄准镜输出的图像并不是全部真实的信息,而是通过各种手段欺骗了人眼来达成了瞄准的目的。而之所以会这样,是因为人脑总是认为光是直线传播的,因此当光线经过反射、折射后再进入人眼的时候,人是无法直接判断出光源的真正位置的。这时候大脑就自动判定光源位置是在进入人眼的光线的反向延长线上,并通过这种“脑补”形成了一个实际上并不存在的画面,这也就是通常所说的虚像。

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    此外,人眼还有一个特性:如果一束平行光射入人眼,人眼是无法判断光源的距离的,人脑会认为这个光源在无限远距离上,比如我们抬头看太阳的时候。

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    介绍了人眼的特性之后,就可以对不同类型的光学瞄准镜做具体说明,分析它们都是怎么欺骗了人眼的。

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    望远式瞄准镜

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    图中步枪安装的是Zeiss Victory HT Rifle Scopes望远式望远镜

    望远式瞄准镜是历史最悠久的光学瞄准镜,最大的特点就是有图像放大功能,便于精确观测远距离上的目标。

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    图1是典型的望远式瞄准镜,采用两组凸透镜组成的开普勒式望远镜系统。不过通常的开普勒式望远镜输出的是一个上下左右都翻转的图像,所以在物镜、目镜之间还有一组用来把翻转的图像再翻转回来的透镜组。

    以图1为例,在使用望远式瞄准镜时,目标发出的光线从右侧进入物镜后首先会被物镜成一个实像并投射在第一焦平面位置上。在这个位置上安装有透明材质制作的分划板,分划板刻画有分划线,就是通常在瞄准镜里看到的十字线、各种刻度之类的东西。分划板被入射的光线照射,它的图像也就与经由物镜所成的目标图像重叠在一起,然后光线继续向左传播。

    (实际上望远式瞄准镜有两个位置可以用来安装分划板,除了图1那样安装在第一焦平面上之外,也可以安装在光线从翻转透镜组出来后汇聚的第二焦平面上。)

    目标和分划板的图像光线到达翻转透镜组时,图像的方向会被翻转成目标真正的上下左右方向,因为分划板的图像也要被翻转,所以装在翻转透镜组之前的分划板也是反向安装的。

    从翻转透镜组输出的方向正确的图像光线再向左传播,在第二焦平面上投射成像之后,再经过目镜后最终进入人眼。

    在上述一系列过程中,人眼是在哪被骗了呢?就在图像光线从翻转透镜组里出来然后投射在第二焦平面上的那一步,这也是开普勒式望远镜的放大原理所在。如图2所示,开普勒式望远镜的放大原理就是先用物镜成一个目标的实像,并且让这个实像形成在目镜的焦距之内,人眼通过目镜去就能看到一个放大的虚像。

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    图2,开普勒望远镜放大原理,无翻转透镜组的情况

    具体到望远式瞄准镜上,物镜把目标的实像投影在翻转透镜组上,被翻转后再输出,而这个输出的实像距离目镜的距离是在目镜的焦距之内的。这也就相当于凸透镜去观察一个在其焦距之内的物体,人眼就看到了一个放大的虚像。

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    图3,物距小于焦距时的凸透镜成虚像的情况

    望远式瞄准镜中的翻转透镜组是也是一个重要的调节装置,调节它的上下、左右位置可以做高低、风偏修正,而调节它的前后位置则可以控制经它输出的实像距离目镜的距离,从而调整放大倍率。

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    Bushnell Elite Tactical G2 FFP Reticle ERS Riflescope

    望远式瞄准镜的缺点:

    1.结构复杂,重量大,成本高。一部望远式瞄准镜通常由多个透镜组组成,较好的瞄准镜一般含有9块镜片,这些镜片都是玻璃研磨制成,因此重量较大,成本自然也不菲。

    2.对携行安定性要求较高,不耐磕碰摔砸。

    3.由于存在放大倍率,在瞄准时需要单眼观察。加上本身倍率镜视野受限,故而不能用于观察战场全局。

    4.有出瞳距限制,在枪械上的安装位置有严格限制,其位置由人眼位置决定。

    5.瞄准速度较慢,不适用于近距离、头部运动频繁的状态下的战斗。

    6. 望远式瞄准镜在战斗中出现故障时,只能拆除后才能使用后备机械瞄准。尽管有快拆,这一过程依然容易延误战机,甚至危及生命。(现行解决方案之一是捆绑机械瞄具和反射瞄具,达到不拆卸还能继续瞄准的目的。)

    解读:视差

    视差简单地说就是从不同位置观察同一个目标,会发现感觉目标的位置发生了变化。比如你伸出一根手指把它指向一个目标,然后用单眼去看,再左右晃动一下脑袋,你就会发现目标相对手指的位置发生了变化。那要如何消除这种视差?如果只是手指做参照物的话,那只要把手指摁到目标上就行了,这样不管你再怎么摇头晃脑,手指和目标之间的相对位置也不会变化了。

    在望远式瞄准镜中,分划板就相当于发挥那个手指的作用。如果物镜所成的目标的实像(对应分划板装在后面的情况,则是翻转透镜组翻转后所成的目标实像)正好落在分划板所在的平面上,那就相当于“手指摁在了目标上”,此时就是没有视差的。但是根据凸透镜成像的公式1/u

    • 1/v = 1/f可以知道,在焦距一定的前提下,当物距发生了变化,那像距也会发生变化。而现实中要瞄准的目标可能在50米距离上,也可能在500米距离上。所以没有办法时刻保证物镜所成的目标的实像总是能正好落在分划板所在的平面上,那么这个时候就会发生视差。在发生视差的情况下,从不同的位置看目镜,会发现目标图像的位置相对于分划板刻度发生了变化。

    这种视差没有办法完全消除,通常可以预设望远式瞄准镜在某个常用的使用距离上没有视差。在较低放大倍率和较近距离上,视差并不是影响射击精度的主要原因。但是在长距离、高倍率的情况下,视差对射击精度的影响就很大,这时候就需要能调节焦距的目镜组来调节像距,不过这又会增加复杂程度和重量了。


    战甲科普:常见光学瞄准镜原理及对比第三篇——全息衍射瞄准镜

    http://www.junpin360.com/html/2015-07-14/4327.html

    战甲科普:常见光学瞄准镜原理及对比第二篇——反射式瞄准镜

    http://www.junpin360.com/html/2015-07-05/4309.html

    战甲科普:常见光学瞄准镜原理及对比第一篇——望远式瞄准镜

    http://www.junpin360.com/html/2015-06-29/4289.html

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    u=f 不成像

    u=2f 成倒立 等大 实像

    f 表示透镜焦距

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