ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ С ОСЕВОЙ ФУРЬЕ-ГОЛОГРАММОЙ ГАБОРА
HOLOGRAPHIC COLLIMATOR SIGHT WITH AN AXIAL FOUR-HOLOGRAM OF GABOR

Область техники
Изобретение относится к топографическим коллиматорным прицелам и может быть использовано в стрелковом оружии.
Уровень техники
Известен голографический коллиматорный прицел (см. Patent USA №6490060), в котором оптическая схема содержит источник оптического излучения - лазерный диод, коллимационный объектив - внеосевое параболическое зеркало или зеркало Манжена, дифракционную решетку, компенсирующую температурный дрейф длины волны лазерного диода, внеосевую голограмму Лейта, формирующую изображение прицельного знака в выходном зрачке прицела.
Недостатком данного решения является сложность изготовления прицела. Применение голограммы Лейта с высокой пространственной частотой дифракционной структуры требует наличие в прицеле дифракционной решетки, компенсирующей хроматизм и температурный дрейф длины волны лазерного диода. Кроме этого, в состав оптической схемы входят сложные в изготовлении внеосевые коллимационные объективы: параболическое зеркало или зеркало Манжена, при этом геометрические размеры дифракционной решетки и голограммы должны быть не меньше размеров выходного зрачка прицела, а голограмма иметь одновременно высокую дифракционную эффективность и прозрачность (как правило не меньше 80%). Необходимым условием работоспособности данной оптической схемы является применение лазерного источника оптического излучения. Использование светодиода приводит к размытию изображения прицельного знака.
В качестве прототипа выбран голографический коллиматорный прицел (см. патент на полезную модель RU 158982, F41G 1/00, 07/08/2015), в котором оптическая схема содержит источник оптического излучения, коллимационный объектив, зеркальный элемент, голограммный оптический элемент (ГОЭ), светоделительный элемент, с возможностью прохода излучения от источника через компактно расположенную совокупность коллимационного объектива и зеркального элемента, а также через компактно расположенную совокупность голограммного и светоделительного элементов с формированием в глазу пользователя прицела результирующего наложения изображения цели и голограммного изображения прицельного знака. Причем ГОЭ представляет собой компьютерно-синтезированную голограмму обрамления центральной точки прицеливания прицельного знака, причем в качестве опорного луча голограммы использован луч, направленный на центральную точку прицеливания прицельного знака с возможностью при считывании голограммного изображения с ГОЭ формирования изображения центральной точки прицеливания на оси считывающего луча при соответствующей фокусировке этого луча.
Достоинством данного решения, выбранного в качестве прототипа, является малое энергопотребление прицела, связанное с применением осевой голограммы Габора, при этом изображение прицельного знака формируется за счет нулевого порядка (излучение прошедшее без дифракции) и обоих первых дифракционных порядков.
Недостатками прицела являются высокий уровень паразитного фона по сравнению с внеосевыми голограммами, большие габариты прицела, связанные с расположением коллимационного объектива, а также невозможность получения изображения метки с неосесимметричным рисунком и низкое качество изображения метки при использовании светодиодного источника излучения.
Предлагаемый голографический коллиматорный прицел совпадает с прототипом по наличию и функциональному назначению следующих основных элементов: источника оптического излучения, коллимационного объектива, осевой фурье-голограммы Габора, светоделительного элемента.
Раскрытие сущности изобретения
Целью изобретения является повышение качества изображения прицельного знака с учетом низкого энергопотребления.
Технический результат достигается тем, что голографический коллиматорный прицел содержит источник оптического излучения, в ходе излучения которого последовательно размещены и оптически связаны между собой: первый коллимационный объектив, формирующий параллельный пучок лучей на осевой фурье-голограмме Габора, осевая фурье-голограмма Габора с изображением прицельного знака, телескопическая система Кеплера, формирующая промежуточное действительное изображение прицельного знака и состоящая из окуляра и второго коллимационного объектива, пространственный фильтр, помещенный в плоскость промежуточного действительного изображения прицельного знака, плоское зеркало, расположенное между окуляром и вторым коллимационным объективом под углом, например, 45 градусов к оптической оси окуляра, светоделительный элемент, обеспечивающий совмещение изображений цели и прицельного знака в выходном зрачке прицела.
Телескопическая система Кеплера и пространственный фильтр, установленный в плоскости промежуточного изображения прицельного знака, обеспечивают фильтрацию паразитного фона, рассеянного голограммой, формирование относительно главного луча несимметричного изображения прицельного знака в выходном зрачке, а также возможность коррекции увеличения размера светящихся линий, точек прицельного знака, связанного, например, с применением светодиодного источника оптического излучения, при этом пространственный фильтр может представлять собой в просветных местах изображение прицельного знака в соответствии с требуемыми угловыми размерами.
В предлагаемом решении отсутствует дифракционная решетка, компенсирующая температурный дрейф длины волны источника излучения, поскольку из-за низкой несущей пространственной частоты дифракционной структуры осевой голограммы влияние температурного дрейфа на угловые смещения прицельного знака незначительны, более того в выходном зрачке эти смещения уменьшаются обратно пропорционально увеличению телескопической системы и их можно не учитывать. Излучение, прошедшее без дифракции через голограмму, удобно использовать для создания изображения главной прицельной точки, поскольку это излучение полностью не подвержено температурному дрейфу.
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, осевая фурье-голограмма Габора имеет значительно меньшие размеры, чем размер выходного зрачка. Например, при диаметре выходного зрачка 35 мм и семикратном увеличении телескопической системы, диаметр голограммы составит 5 мм. Надо иметь в виду, что в данном случае угловые размеры прицельного знака, записываемого на голограмме, должны быть увеличены во столько же раз.
Существенное сокращение габаритов прицела обеспечивается горизонтальным расположением второго коллимационного объектива, которое становится возможным за счет плоского зеркала, установленного между окуляром и вторым коллимационным объективом, например, под углом 45 градусов к оптической оси окуляра.
В частных случаях реализации изобретения осевая фурье-голограмма Габора может быть выполнена как с пропускающей фазовой, так и с отражательной рельефно-фазовой дифракционными структурами. Предпочтительно применение голограммы с пропускающей фазовой структурой, поскольку при нормальном падении главного луча на голограмму сохраняется симметрия первых порядков дифракции относительно главного восстанавливающего луча.
Краткое описание оптических схем
На фиг. 1, 2 приведены оптические схемы голографических коллиматорных прицелов с пропускающей фазовой (фиг. 1) и с отражательной рельефно-фазовой (фиг. 2) осевыми фурье-голограммами Габора.
Позиции на фиг. 1, фиг. 2 совпадают и обозначают:
1 - источник оптического излучения (лазерный диод или светодиод);
2 - первый коллимационный объектив;
3 - пропускающая (фиг. 1) и отражательная (фиг. 2) осевые фурье-голограммы Габора.
4 - телескопическая система Кеплера;
5 - окуляр Гюйгенса в составе телескопической системы Кеплера;
6 - второй коллимационный объектив в составе телескопической системы Кеплера;
7 - плоское зеркало;
8 - светоделительный элемент;
9 - пространственный фильтр.
Ход лучей в оптических схемах рассмотрим на примере фиг. 1 с прозрачной фазовой голограммой. Излучение от источника оптического излучения 1 коллимируется первым коллимационным объективом 2 и попадает по нормали на осевую фурье-голограмму Габора 3 и в обоих первых порядках дифракции восстанавливает изображение, записанное на голограмме. Окуляром 5 телескопической системы 4 это изображение фокусируется в одной плоскости с излучением, прошедшим без дифракции (нулевой порядок), где установлен пространственный фильтр 9, отсекающий паразитный фон, а также фрагменты изображения, восстановленные голограммой и не участвующие в формировании изображения прицельного знака.
Телескопическая система 4 расширяет пучок лучей до размера выходного зрачка прицела, при этом угловые размеры прицельного знака, записанные на голограмме, уменьшаются обратно пропорционально линейному увеличению телескопической системы 4. Светоделительный элемент 8 и плоское зеркало 7, установленное под углом 45 градусов к оптической оси окуляра, обеспечивают формирование изображения прицельного знака в выходном зрачке прицела.
Осуществление изобретения
Образец голографического коллиматорного прицела с оптической схемой фиг. 1 был изготовлен на предприятии заявителя согласно предлагаемому изобретению.
1
2
3
4
1
2
3
1
2
Конструктивные параметры первого коллимационного объектива 2: радиусы кривизны R=7,656 мм, R=5,321 мм, R=∞, R=-5,321 мм; толщины d=1,1 мм, d=1,49 мм; d=1,4 мм показатели преломления n=1,805180, n=1,8051080.
1
2
3
4
1
2
3
1
2
3
Конструктивные параметры окуляра Гюйгенса 5: радиусы кривизны R=6,05 мм, R=∞, R=9,3 мм, R=∞; толщины d=1,75 мм, d=12,44 мм, d=1,42 мм; показатели преломления n=1,67271, n=1,0, n=1,516800. Данный тип окуляра более предпочтительный в виду минимальных габаритов телескопической системы.
1
2
3
4
1
2
1
2
Конструктивные параметры объектива 6 телескопической системы Кеплера 4: радиусы кривизны R=59,57 мм, R=-36,81 мм, R=-36,81 мм, R=-96,83 мм; толщины d=5,5 мм, d=1,5 мм; показатели преломления n=1,4874, n=1,6828.
Прозрачная осевая фурье-голограмма Габора изготавливалась с использованием фотопластинок ПФГ-03, выпускаемых предприятием АО "Компания Славич", путем контактного переноса изображения с синтезированной амплитудной голограммы. В свою очередь синтезированная амплитудная голограмма записывалась с помощью сфокусированного лазерного луча на прозрачной пластинке с хромовым покрытием.
Пространственный фильтр представлял собой фотоизображение прицельного знака на стеклянной подложке.
Светоделительный элемент 8 изготавливался вакуумным напылением интерференционного покрытия на стеклянную подложку толщиной 2,5 мм с коэффициентом пропускания, порядка, 80% и отражения 20%.
В качестве источника излучения был установлен светодиод для отображения и подсветки визирных знаков У-368А, выпускаемый предприятием ООО «НПЦ ОЭП «ОПТЭЛ»: мощность излучения 3 мвт, размер светоизлучающей площадки 50 мкм, длина волны 650 нм.
Размеры элементов прицельного знака, определяемые угловыми размерами просветных участков пространственного фильтра, соответствовали расчетным значениям. Искажения изображения, вызванные аберрациями телескопической системы, не превышали расчетных и на диаметре выходного зрачка 22 мм составили менее одной угловой минуты.
Полученные расчетные и экспериментальные результаты подтвердили заявленные возможности голографического коллиматорного прицела.