ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОЛЛИМАТОРНОГО ПРИЦЕЛА

Область техники
Полезная модель относится к голографическим коллиматорным прицелам и может быть использовано в стрелковом оружии.
Уровень техники
Известен оптический коллиматорный прицел (см. патент №4665622, НКИ 33-24 США) в котором изображение прицельного знака формируется точечным источником оптического излучения, расположенным в фокальной плоскости коллимационного объектива. Совмещение изображений цели и прицельной метки осуществляется в полупрозрачном прицельном окне таким образом, что стрелок воспринимает изображение метки в виде светящейся точки на цели. Преимуществом прицела является низкое энергопотребление, в то время как недостатком - картина метки, которая имеет вид одиночной светящейся точки.
В качестве прототипа выбрано решение, известное из патентной публикации (см. патент на полезную модель RU 158982, F41G 1/00, 07.08.2015) в котором оптическая схема компактного коллиматорного прицела 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 фокусировки этого луча.
Предлагаемая оптическая схема прицела совпадает с прототипом по наличию и функциональному назначению следующих элементов: источника оптического излучения; коллимационного объектива; голограммного оптического элемента, представляющего собой осевую голограмму Габора; светоделительного элемента.
Недостатком оптической схемы прототипа является применение в качестве ГОЭ пропускающей компьютерно-синтезированной голограммы. В прототипе ГОЭ представляет собой голограмму изображения обрамления центральной точки прицеливания прицельного знака, которая формируется путем компьютерного синтеза и выводится на апертуру ЖК-транспаранта. Полученное изображение голографической структуры оптически перепроецируется на поверхность носителя записи, производится экспонирование и фотохимическая обработка. Оптическое копирование голограмм на светочувствительный носитель записи процесс трудоемкий и, при этом, требует применения высокоразрешающей проекционной аппаратуры. Кроме того, в прототипе ГОЭ представляет собой пропускающую голограмму, голограммная структура которой требует защиты от внешних воздействий, например, путем склейки с оптически прозрачной пластиной, а для устранения рефлексов (бликов) на оптические поверхности ГОЭ необходимо наносить просветляющие покрытия.
Как известно (Голография и голографические методы контроля качества. Термины и определения, ГОСТ 24865.1-81), голограммная структура компьютерно-синтезированных голограмм формируется по отдельным точкам и имеет бинарную низкочастотную структуру. Благодаря этой структуре при считывании (восстановлении) изображения с голограммы, возникает паразитное световое поле вблизи восстанавливающего луча, которое накладывается в случае осевых голограмм на голографическое изображение. В прототипе считывающий луч и голографическое изображение создают единое изображения метки и, следовательно, паразитная засветка накладывается на изображение метки, ухудшая ее качество.
Другим недостатком оптической схемы прототипа являются используемый тип голограммы, которая представляет собой голограмму Фурье, изображение с которой восстанавливается плоской волной. В этом случае ГОЭ необходимо располагать по ходу лучей за коллимационным объективом, как это и показано в опубликованных материалах прототипа на фиг.1. В такой компоновке оптических элементов габаритные размеры прицела увеличиваются и превышают фокусное расстояние коллимационного объектива.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции голографического коллиматорного прицела, повышение качества изображения прицельной метки при условии низкого энергопотребления.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая оптическая схема голографического коллиматорного прицела, содержит источник оптического излучения, в ходе лучей которого последовательно размещены: отражательная рельефно-фазовая голограмма, коллимационный объектив, светоделительный элемент, обеспечивающие формирование изображения прицельного знака в выходном зрачке прицела, причем передний фокус коллимационного объектива совмещен с источником оптического излучения, а рельефно-фазовая голограмма, расположенная, например, под углом 45 градусов к оптической оси источника излучения, формирует восстановленное изображение в плоскости источника излучения, при этом зеркальная и дифракционные составляющие отраженного голограммой излучения находятся в пределах выходного зрачка прицела, отражающая грань светоделительного элемента установлена под углом, например, 45 градусов к оси отраженного голограммой излучения и совмещает изображения прицельного знака и цели в выходном зрачке прицела по линии прицеливания.
В частных случаях реализации полезной модели отражающая рельефно-фазовая голограмма может представлять собой: физическую голограмму; совмещенную голограмму, изготовленную методами физической голографии и, в частном случае, представляющую собой голограмму изображения точечных источников; реплику голограммы, полученную способом контактного копирования. Возможен также случай, когда в полезной модели коллимационный объектив представляет собой внеосевой рефлектор, оптическая поверхность которого совмещена с рельефно-фазовой голограммой. В частном случае полезной модели источником излучения является лазерный диод, ток питания которого установлен в интервале ниже порогового тока, при котором возникает лазерная генерация.
Осуществление полезной модели
Осуществление полезной модели рассмотрим на примере оптических схем, приведенных на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 приведена оптическая схема голографического коллиматорного прицела и обозначены позиции: 1 - источник оптического излучения; 2 - отражающая рельефно-фазовая голограмма; 3 - коллимационный объектив; 4 - светоделительный элемент. Излучение от источника 1 расходящимся пучком лучей освещает отражательную рельефно-фазовую голограмму 2 и в дифракционных порядках восстанавливает с голограммы в плоскости источника 1 мнимое изображение метки (точнее ее дифракционную часть). Другая часть изображения формируется зеркальной составляющей восстанавливающего (считывающего) излучения. После голограммы 2 общее изображение метки находится на одной оси с коллимационным объективом 3 в его передней фокальной плоскости. Коллимационный объектив 3 переносит общее изображение метки в бесконечность, которое с помощью светоделителя 4 совмещается с изображением цели и по линии визирования направляется в глаз.
На фиг. 2 приведена оптическая схема записи совмещенной отражательной рельефно-фазовой голограммы и обозначены позиции: 5 - лазер; 6 - объектив; 7 - плоское зеркало; 8 - носитель записи для голографии. Излучение, например, от He-Cd лазера 5, пройдя объектив 6, фокусируется в точке. Плоское зеркало 7 устанавливается вблизи этой точки, примерно параллельно оптической оси объектива. Сориентированное таким образом зеркало часть излучения пропускает напрямую, а часть отражает в сторону носителя 8, формируя на нем интерференционную картину. Частоту и ориентацию интерференционных полос можно устанавливать угловыми и линейным смещениями зеркала 7. Также выбор необходимых частоты и ориентации регистрируемых интерференционных полос на носителе 8 можно осуществить угловыми и линейным смещениями носителя 8.
Одной из главных проблем ОКП является формирование изображение прицельного знака с отсутствием параллакса по всему полю зрения прицела. В этом случае коллимационный объектив, обеспечивающий формирование прицельного знака в бесконечности, должен быть высокого качества и не вносить аберраций. Чтобы удовлетворительно решить эту задачу, объектив, как правило, не должен иметь угловую апертуру более чем, ~1/3. Увеличение апертуры приводит к резкому росту аберраций, а исправление их к усложнению конструкции объектива. Кроме того, уменьшение фокусного расстояния объектива с целью уменьшения габаритов коллиматорного прицела приводит к усложнению конструкции механизма выверки (совмещение линии визирования коллиматорного прицела с траекторией движения снаряда). Фокусное расстояние коллимационного объектива 3 (фиг. 1), в сравнении с прототипом, увеличено за счет расположения объектива 3 вблизи светоделительного элемента 4. Это стало возможным благодаря применению отражательной рельефно-фазовой голограммы, изображение с которой восстанавливается в фокусе объектива 3 с помощью расходящегося пучка лучей. Кроме того, применение отражательной рельефно-фазовой голограммы, позволило исключить зеркальный элемент, применяемый в прототипе для направления излучения на светоделительный элемент.
Одной из главных характеристик коллимационных прицелов является энергопотребление источника излучения, которое зависит от потерь на оптических элементах, обеспечивающих формирование изображения прицельного знака. В предлагаемой полезной модели аналогично прототипу применяется осевая голограмма Габора, которая позволяет использовать нулевой порядок, а также (+/-) 1-ые порядки дифракции в изображении прицельного знака. Однако в этом случае возникает проблема минимизации неизбежно возникающей паразитной засветки, которая накладывается на изображение прицельного знака. В рассматриваемом случае эта проблема решается с помощью физической (аналоговой) голограммы и, в частности, совмещенной голограммы, полученной путем последовательной регистрации на светочувствительном слое интерференционных картин с различной угловой ориентацией, например, создаваемых двумя точечными источниками. Оптическая схема записи такой голограммы представлена на фиг. 2. В такой схеме записи голограмма прицельного знака будет представлять собой комбинированную совмещенную голограмму, состоящую из подголограмм изображений точечных источников. При этом угловые размеры отдельных элементов изображения знака ограничены дифракционным пределом разрешения, что позволяет обеспечить высокую точность совмещения прицельного знака с целью и, что очень важно, в изображении исключается спекл структура и снижается паразитный фон.
У рельефно-фазовых голограмм записанное изображение представлено в виде поверхностного рельефа на носителе, контактное копирование (изготовление реплик) которых с высоким разрешением достаточно легко реализуется по известным технологиям изготовления оптических дисков, грампластинок, радужных голограмм. Такая технология изготовления голограмм в производстве коллиматорных прицелов представляется наиболее предпочтительной в серийном производстве коллиматорных прицелов благодаря высокой производительности и низкой себестоимости.
Технологическая возможность контактного копирования рельефно-фазовых голограмм, в частности, позволяет иметь в составе оптической схемы прицела совокупный оптический элемент, в котором объединены функции коллимационного объектива, представляющего собой внеосевой рефлектор и отражательной рельефно-фазовой голограммы.
Частный случай реализации полезной модели раскрывает возможность использования в качестве источника излучения лазерного диода, ток питания которого установлен в интервале ниже порогового тока, при котором возникает лазерная генерация.
Известно, что угловая расходимость излучения лазерных диодов в режиме лазерной генерации может отличаться в ортогональных плоскостях в несколько раз (например, в 5 раз и более). Равномерную засветку выходного зрачка прицела, можно обеспечить только при условии полного заполнения выходного зрачка лучами с минимальной расходимостью. В этом случае возникают большие потери энергии. При значении тока ниже порогового тока лазерной генерации, лазерный диод переходит в режим светодиода с равномерной расходимостью излучения. Несмотря на то, что при данном режиме работы лазерного диода расширяется спектр излучения, это не оказывает влияние на качество изображения прицельного знака, поскольку используемая в прицеле осевая голограмма Габора с учетом угловых размеров прицельного знака, имеет частоту полос, как правило, не более 20 линий на миллиметр. Такое значение частоты полос с расширением спектра излучения даст размытие знака за пределами разрешения глаза. Экспериментальные результаты показали, что с учетом значительного снижения потерь на голограммном элементе, энергопотребление 5 мвт лазерного диода (в условиях, не превышающих пороговый ток лазерной генерации) достаточное, чтобы обеспечить яркость прицельного знака при любой освещенности цели.