Голографический коллиматорный прицел с синтезированным зрачком - RU2647516C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к голографическим коллиматорным прицелам, формирующим мнимое изображение неподвижной прицельной марки с помощью оптической системы, включающей голограммный оптический элемент (ГОЭ). Прицел должен удовлетворять основным требованиям, к которым относится минимизация габаритов и массы прицела, а также минимизация аберраций и компенсация изменения длины волны излучения лазерного диода, вызванного изменением температуры окружающей среды.

В литературе описаны оптические схемы подобных голографических коллиматорных прицелов, как российских, так и зарубежных авторов.

В [1] описана оптическая схема голографического коллиматорного прицела, в котором в качестве коллиматора используется двухлинзовая оптическая система и набор дифракционных решеток для компенсации изменения длины волны лазерного излучения. Из-за большого количества элементов, входящих в состав прицела [1], он обладает повышенной массой и значительными габаритами.

Прицел [2] обеспечивает компенсацию изменения длины волны излучения при небольших изменениях окружающей температуры, но коллиматор, представляющий собой сферический элемент с двумя разными радиусами кривизны (зеркало Манжена), сложен в изготовлении и обладает относительно большими массой и габаритами.

Прицел [3] удовлетворяет требованиям, связанным с компенсацией дрейфа длины волны лазерного диода, имеет меньшие габариты и вес за счет уменьшения числа оптических элементов, но обладает низкой эффективностью использования восстанавливающего излучения, что влечет либо повышенные требования к источнику питания излучателя, либо увеличение емкости источника, а значит, его габаритов и габаритов прицела в целом.

Схема [3], взятая в качестве прототипа, является наиболее близким из аналогов к заявленной схеме голографического коллиматорного прицела, поскольку для решения основной задачи она имеет наименьшее количество оптических элементов.

Задачей данного изобретения является создание прицела с минимально возможными массой и габаритами, с повышенной эффективностью использования восстанавливающего излучения лазерного диода с сохранением основных технических требований, предъявляемых к коллиматорным голографическим прицелам.

Предлагаемый голографический коллиматорный прицел с синтезированным зрачком содержит лазерный диод, коллимирующий объектив, дифракционную решетку и голографический формирователь изображения неподвижной метки. В отличие от прототипа дифракционная решетка выполнена пропускающей, приклеенной к световоду, представляющему собой склейку нескольких стеклянных пластин, одна из которых содержит на своей поверхности голографический формирователь изображения неподвижной метки в виде пропускающей голограммы, обладающей угловой селективностью, при этом несущие пространственные частоты дифракционной решетки и голограммы равны друг другу и удовлетворяют условию

, где v_g и v_h - несущие пространственные частоты дифракционной решетки и голограммы соответственно, - угол полного внутреннего отражения в материале световода, λ_n - длина волны источника излучения в материале световода, причем апертуры дифракционной решетки и голографического формирователя изображения неподвижной метки пространственно разнесены по поверхности световода так, что плоскости их дифракционных сечений параллельны, при этом линейная апертура голографического формирователя изображения неподвижной метки равна размеру выходного зрачка прицела, а линейная апертура дифракционной решетки связана с угловой апертурой источника излучения соотношениями X ≈ 2Fα_min, Y ≈ 2Fα_max, где X, Y - линейные размеры апертуры дифракционной решетки в дифракционном сечении, где соответственно F - фокусное расстояние коллимирующего объектива, α_min и α_max - минимальная и максимальная угловые апертуры источника излучения, при этом величины апертур X и Y связаны с толщиной световода и диаметром зрачка глаза оператора соотношениями X ≈ 2dtgα_f, X и Y≥s, где d - толщина световода, s - диаметр зрачка глаза оператора.

На Фиг. 1 представлена схема коллиматорного голографического прицела с синтезированным зрачком, содержащая лазерный диод 1, коллимирующий объектив 2, дифракционную решетку 3, голограмму неподвижной метки 4 и световод 5. Дифракционная решетка пропускающего типа 3 приклеена к световоду 5, выполненному в виде склейки нескольких стеклянных пластин, одна из которых содержит на своей поверхности голограмму неподвижной метки 4, в качестве которой используется обладающая угловой селективностью пропускающая голограмма с несущей пространственной частотой, равной частоте дифракционной решетки и удовлетворяющей условию

, где v_g и v_h - несущие пространственные частоты дифракционной решетки и голографического формирователя изображения неподвижной метки соответственно, - угол полного внутреннего отражения в материале световода, λ_n - длина волны источника излучения в материале световода [3]. Апертуры дифракционной решетки и голограммы пространственно разнесены по поверхности световода, но плоскости их дифракционных сечений параллельны. Линейная апертура дифракционной решетки связана с угловой апертурой источника излучения соотношениями X ≈ 2Fα_min, Y ≈ 2Fα_max, где X, Y - линейные размеры апертуры дифракционной решетки в дифракционной плоскости соответственно, F - фокусное расстояние коллимационного объектива, α_min и α_max - соответственно минимальная и максимальная угловые апертуры лазерного диода. Линейная апертура голограммы равна размеру выходного зрачка прицела. Величины апертур X и Y связаны с толщиной световода и диаметром зрачка глаза оператора соотношениями X ≈ 2dtgα_f, X и Y≥s, где d - толщина световода, s - диаметр зрачка глаза оператора.

Ход лучей в оптической схеме представлен на Фиг. 2, где 1 - лазерный диод; 2 - коллимирующий объектив; 3 - дифракционная решетка; 4 - голограмма неподвижной метки; 5 - световод (стеклянный); 6 - эмульсионный слой формирователя прицельной метки; 7 - главный луч; α - угол дифракции.

Источник монохроматического излучения, в качестве которого используется лазерный диод 1, имеющий эллипсообразное распределение интенсивности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, освещает коллимирующий объектив 2. Для эффективного использования излучения лазерного диода коллимирующий объектив 2 изготавливается такой формы, чтобы его апертура была максимально заполнена излучением лазерного диода 1 как по горизонтальной, так и по вертикальной оси. Размеры X и Y дифракционной решетки в дифракционной плоскости должны превышать диаметр зрачка оператора, который обычно лежит в пределах 6-8 мм. Объемная дифракционная решетка пропускающего типа 3, приклеенная к подложке голограммы 4, дифрагирует падающий коллимированный пучок под углом α. К голограмме 4 со стороны эмульсионного слоя приклеена стеклянная пластина 5, выполняющая роль световода. Несущая частота решетки подобрана таким образом, что угол дифракции α для длины волны лазерного диода λ_n равен или превышает угол полного внутреннего отражения в стекле

. Отразившись от задней поверхности световода 5, пучок падает на голограмму, создавая опорную волну для восстановления изображения неподвижной метки с апертурой, равной апертуре дифракционной решетки. После отражения от задней поверхности подложки голограммы пучок снова падает на заднюю поверхность световода и, отражаясь, создает очередной восстанавливающий пучок. Таким образом, по частям синтезируется выходной зрачок формирователя неподвижной метки. Для того чтобы полностью заполнить выходную апертуру прицела и обеспечить компенсацию дрейфа длины волны излучения лазерного диода, необходимо выполнить определенные условия (см. Фиг. 2).

На Фиг. 2 изображен ход лучей в схеме коллиматорного голографического прицела с синтезированным зрачком, из которой следует, что толщина подложки голограммы d₁ и толщина стеклянной пластины d₂ связаны с величиной зрачка s следующим уравнением:

s=2(d₁+d₂)tgα.

В нашем случае угол α должен удовлетворять условию:

α≥α_f.

Исходя из формулы дифракционной решетки

вычислим ее пространственную частоту v_g в зависимости от длины волны и необходимого угла дифракции:

,

где α≥α_f, n - показатель преломления стекла. Поскольку голограмма и дифракционная решетка в данной схеме параллельны, то для компенсации дрейфа длины волны лазерного источника достаточно [3], чтобы несущая пространственная частота голограммного элемента v_h и несущая пространственная частота дифракционной решетки v_g были равны, т.е.

v_h=v_g.

Голограмма неподвижной метки представляет из себя объемную фазовую голограмму, характеризующуюся высоким коэффициентом пропускания в видимом, особенно в красном, диапазоне спектра, что делает несущественным поглощение света в эмульсионном слое, а свет, прошедший эмульсионный слой и отраженный под углом полного внутреннего отражения от внутренней поверхности стеклянной подложки голограммы, не будет восстанавливать изображение, поскольку для него не выполняются соответствующие условия Брэгга.

Таким образом, данное изобретение позволяет совместить функции сразу четырех оптических элементов (коллимирующего объектива, дифракционной решетки, пропускающей голограммы неподвижной метки и световода) в одном элементе, что дает возможность уменьшить вес и габариты прицела, а также более эффективно использовать излучение лазерного диода, сохраняя основные технические требования, предъявляемые к голографическим коллиматорным прицелам.

Источники информации

1. Ковалев М.С., Козинцев В.И., Лушников Д.С., Маркин В.В, Одиноков С.Б. Способ компенсации изменения положения прицельного знака и голографический коллиматорный прицел. Патент РФ №2355989, опубл. 20.05.2009.

2. Anthony М. Tai, Northville, MI (US); Eric J. Sieczka, Saline, MI (US). Lightweight holographic sight, Patent USA No 6490060 of Dec. 03, 2002.

3. Квитко С.С., Корешев С.Н., Шевцов М.К. Голографический коллиматорный прицел. Патент РФ №135426, опубл. 10.12.2013.

Реферат

Голографический коллиматорный прицел с синтезированным зрачком содержит лазерный диод, коллимирующий объектив, дифракционную решетку пропускающего типа, голографический формирователь неподвижной метки в виде объемной пропускающей голограммы, стеклянную пластинку, выполняющую роль световода. Технический результат заключается в уменьшении габаритов и веса за счет совмещения функций четырех оптических элементов в одном элементе. 2 ил.

Формула