ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ И УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ КОМПЕНСАЦИОННОГО ГОЛОГРАММНОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Область техники
Техническое решение относится к голографическим коллиматорным прицелам, формирующим мнимое изображение прицельного знака, и к устройствам для записи голограммных оптических элементов (ГОЭ) прицелов.
Уровень техники
Известны голографические коллиматорные прицелы для применения на ручном стрелковом оружии, формирующие в пространстве прицеливания мнимое изображение прицельного знака. Эти прицелы включают лазерный источник света, объектив, коллимирующий излучение источника, голограммный оптический элемент, формирующий мнимое изображение прицельного знака в пространстве прицеливания, ахроматизирующую оптическую систему в виде дифракционной решетки (US No. 6,490,060 B1 of Dec. 3, 2002, [1]) или комбинации призм с дифракционной решеткой (US No. 5,483,362 of Jan. 9, 1996, [2]), обеспечивающую компенсацию углового смещения наблюдаемого изображения прицельного знака из-за температурного ухода длины волны излучения источника. Недостатками этих прицелов является:
1. значительные габариты и масса оптических схем восстановления с голограммного оптического элемента мнимого изображения прицельного знака,
2. наличие единственного изображения прицельного знака при отсутствии возможности его смещения по линии прицеливания. При прицеливании на объекты, находящихся на разных расстояниях, существенно отличающихся от расстояния, на котором располагается изображение прицельного знака, точность прицеливания из-за возникающего параллакса или расхождения между объектом и прицельным знаком уменьшается.
В качестве прототипа принят наиболее близкий по технической сущности к заявляемому является голографический коллиматорный прицел (US No. 2006/0164704 A1 of Jul. 27, 2006 [3]). В этом патенте оптическая схема прицела включает в себя последовательно установленные вдоль оптической оси лазерный диод, поворотное плоское зеркало, внеосевое сферическое зеркало, голограммную отражающую дифракционную решетку и голограммный оптический элемент.
Этому прицелу также присущи следующие недостатки:
1. значительные габариты и масса оптической схемы восстановления с голограммного оптического элемента мнимого изображения прицельного знака,
2. наличие только единственного изображения прицельного знака, восстановленного с голограммного оптического элемента, и невозможности его смещения вдоль линии прицеливания,
3. изготовление коллимирующего зеркала в виде одной оптической детали из стекла с двумя сферическими поверхностями не позволяет минимизировать сферическую аберрацию для обеспечения требуемой расходимости лазерного излучения при освещении ГОЭ. Это приводит к дополнительным аберрациям голограммы и увеличению параллакса прицельного знака при ее восстановлении.
Кроме того, в схемах устройств записи голограмм для формирования мнимого изображения двухмерных объектов, к которым относится транспарант прицельного знака, в общем случае (Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин, Оптическая голография, изд. «Мир», М., 1973, стр.224, [4]), используется диффузор, находящийся в предметном пучке по ходу лучей перед транспарантом. Это определяет спекловую структуру наблюдаемого мнимого изображения, из-за чего его контуры размываются и становятся не четкими.
2
1
Также известны (Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин, Оптическая голография, изд. «Мир», М., 1973, стр.243, [4]) схемы записи, которые используются при восстановлении изображения с голограммного оптического элемента без учета масштабных искажений, в том числе параметра µ, определяемого как отношение длины волны света λ, на которой производится восстановление изображения прицельного знака в прицеле, к длине волны света λ, на которой выполняется запись голограммного оптического элемента. В прицельных системах в основном применяются лазерные диоды с длиной волны восстановления мнимого изображения прицельного знака λ=0,620-0,660 мкм, в то время как при записи рельефно-фазовых голограмм на фоторезист используется He-Cd лазер с длиной волны λ=0,4416 мкм. Это приводит не только к масштабным искажениям восстановленного изображения, но и к аберрационным искажениям, которые вносятся голограммным оптическим элементом. Для решения вышеизложенных проблем для создания голограммных оптических элементов используются видоизмененные схемы записи и восстановления.
Сущность полезной модели.
Первой задачей полезной модели является создание голографического коллиматорного прицела с устранением недостатков аналогов.
Техническим результатом полезной модели является формирование в пространстве прицеливания изображения двух прицельных знаков, содержащих компоненты красного и зеленого цветов, а также построение безлинзовой оптической схемы голографического коллиматорного прицела, позволяющей минимизировать количество входящих в нее компонентов;
Второй задачей полезной модели является создание устройства записи компенсационного голограммного оптического элемента для формирования мнимого изображения прицельного знака в голографическом коллиматорном прицеле по п.1.
Техническим результатом полезной модели является возможность восстановления нескольких изображений прицельного знака на голограммном оптическом элементе, формирующего в пространстве прицеливания два изображения прицельных знаков разных цветов, а также получение голограммного оптического элемента, при работе в прицеле обеспечивающей повышенную четкость наблюдаемых контуров изображения прицельного знака.
1
В заявляемом голографическом коллиматорном прицеле технический результат достигается за счет того, что в прицеле, содержащем последовательно установленные на оптической оси полупроводниковый лазерный диод (с длиной волны λ красного цвета) и голограммный оптический элемент, который формирует мнимое изображение прицельного знака в пространстве прицеливания дополнительно установлены:
2
1. второй полупроводниковый лазерный диод с длиной волны излучения λ зеленого цвета,
2. объединяющая излучение источников зеркальная оптическая система, расположенная между источниками света и голограммным оптическим элементом,
3. компенсационный голограммный оптический элемент, расположенный между объединяющей излучение источников зеркальной оптической системой и голограммным оптическим элементом.
1
В устройстве записи компенсационного голограммного оптического элемента (КГОЭ) для формирования изображения двух прицельных знаков в голографическом коллиматорном прицеле технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем лазерный источник света (лазер He-Cd с длиной волны излучения λ), оптическую систему формирования опорного и предметного пучков, последовательно установленные в предметном пучке диффузор, транспарант прицельного знака и фотопластинку, причем и опорный и предметный пучки являются расходящимися. Причем транспарант располагается по ходу лучей за передней фокальной плоскостью объектива (установленного в предметном пучке), и введен механизм смещения транспаранта по оптической оси предметного канала. При этом запись компенсационного голограммного оптического элемента одного цвета изображения прицельного знака производят в несколько последовательных экспозиций, в каждой из которых диффузор находится в положении, произвольно смещенном относительно положений при других экспозициях.
Описание полезной модели и фигур
На ФИГ.1 представлена безлинзовая оптическая схема голографического коллиматорного прицела, формирующего в пространстве прицеливания изображения двух прицельных знаков, содержащего компоненты красного и зеленого цветов.
На ФИГ.2 представлена оптическая схема записи компенсационного голограммного оптического элемента.
2a
2b
В качестве источников излучения в голографическом коллиматорном прицеле (ФИГ.1) используется несколько полупроводниковых лазерных диодов или полупроводниковых светодиодов 1 с различными длинами волн излучения. В рассматриваемом в качестве примера используются два полупроводниковых лазерных диода 1а и 1b, излучающих соответственно в зеленой и красной областях спектра (на длинах волн излучения λ, λ соответственно). Одновременное использование этих источников света обеспечивается объединяющей излучение источников зеркальная оптическая система, расположенная между источниками света и компенсационным голограммным оптическим элементом (КГОЭ) 4, в данном случае используются обычное зеркало 2, диэлектрическое зеркало 3, отражающее свет на длине волны источника 1b и с пропусканием, близким к 1 на другой длине волны. При нахождении источников света в фокальной плоскости компенсационного голограммного оптического элемента 5 на выходе его формируются параллельные пучки излучения на всех используемых длинах волн. Смещение любого из источников 1 по оптической оси относительно фокальной плоскости компенсационного голограммного оптического элемента с помощью однотипных для всех источников механизмов перемещения 9 приводит к формированию КГОЭ в различной степени для различных длин волн сходящихся или расходящихся гомоцентрических пучков. Далее свет падает на голограммный оптический элемент 5, дифрагирует на его периодической системе, попадает в глаз стрелка 6 и затем формирует в пространстве прицеливания видимое мнимое изображение прицельного знака.
Принципиально в голографическом коллиматорном прицеле может быть использована схема только с фиксированным положением источников света 1 относительно голограммного оптического элемента 5.
Также в рассмотренной схеме изменение углового положения прицельного знака при изменении такого параметра как температура минимальны и практически не влияют на работу прицела на небольших дистанциях. Например, для осевых лучей, формирующих мнимое изображение центра прицельного знака, имеет место полная компенсация изменения длины волны света источника. При этом не имеет значения, определяется ли это изменение использованием источника света с относительно широкой спектральной полосой излучения, конкретнее, светодиодного источника света, вызвано ли уходом длины волны света источника вследствие изменения температуры, или, более того, применением нескольких источников света с отличающимися длинами волн их излучения.
Компенсационный голограммный оптический элемент 4 зарегистрирован таким образом, что при падении на него света от лазерного источника излучения сферический волновой фронт преобразовывается в плоский на двух длинах волн излучения полупроводниковых лазерных светодиодов (в зеленой и красной областях спектра).
Голограммный оптический элемент 5 зарегистрирован таким образом, что при восстановлении изображения прицельного знака на каждой из длин волн используемого света формируется мнимое изображение прицельного знака двух цветов. В рассматриваемом для примера случае с двумя зарегистрированными компонентами в голограмме эти компоненты формируются с центрами на линии прицеливания в каждой из групп Va, Vb в двух точках, разнесенных в пространстве по линии прицеливания и находящихся на расстояниях Lij, где первый индекс соответствует используемой длине волны, второй - номеру компоненты изображения в цветовой группе.
1
2
1
1
2
1
2
1
2
Преобразование в голографическом коллиматорном прицеле компенсационным голограммным оптическим элементом 4 сферического волнового фронта в плоский обеспечивается устройством записи компенсационного голограммного оптического элемента (ФИГ.2). Запись голограммы ведется на длине волны λ источника когерентного света, в общем случае отличающейся от длины волны λ света, используемого в голографическом коллиматорном прицеле. Свет источника подходящим способом разделяется на два пучка, предназначенных для формирования опорного и предметного пучков на пластинке 7а со слоем, чувствительным к свету на длине волны λ (входная часть устройства записи на ФИГ.2 не представлена). Запись компенсационного голограммного оптического элемента ведется в несколько экспозиций, соответствующих числу компонентов длин волн, на которых будет работать КГОЭ. В рассматриваемом для примера случае компенсационный голограммный оптический элемент преобразовывает сферический волновой фронт в плоский на двух длинах волн (красной и зеленой области спектра). В каждой экспозиции используются один и тот же параллельный опорный пучок, падающий на пластинку 7а под углом α, и гомоцентрические расходящиеся в различной степени предметные пучки, оси которых с нормалью к пластинке составляют угол α. Углы α и α на стадии записи КГОЭ и углы β и β на стадии восстановления мнимых изображений прицельного знака при использовании КГОЭ в составе прицела связаны известными уравнениями дифракционной решетки.
13
Предметом в предметном пучке является формируемое вторым объективом 13 мнимое изображение транспаранта прицельного знака 12, который представляет непрозрачную пластину с зоной прозрачности, соответствующей конфигурации прицельного знака и устанавливается в точке Ртр по ходу лучей за передним фокусом Fобъектива. Перед транспарантом по ходу лучей установлены первый объектив 10 и диффузор 11, вместе при условии формирования первым объективом 10 изображения источника света в центре объектива 13 обеспечивающие равномерное использование света от всех точек транспаранта при равномерном заполнении апертуры объектива.
Смещение Δmp транспаранта прицельного знака 12 относительно фокальной плоскости первого объектива 13 с помощью механизма 14 обеспечивает получение расходящегося предметного пучка с центром расходимости в точке Р на расстоянии Lp от центра объектива по оптической оси объектива.
Результатом использования предложенных в заявке технических решений является создание голографического коллиматорного прицела, имеющего существенные функциональные преимущества по сравнению с имеющимися аналогами и рассмотренным прототипом. Эти преимущества выражаются в формировании в пространстве прицеливания изображения двух прицельных знаков, содержащих компоненты красного и зеленого цветов, а также в минимизации количества входящих в оптическую схему голографического коллиматорного прицела оптических элементов.
Список литературы
1. Anthony M.Tai, Eric J.Sieczka. Lightweight holographic sight, Patent US No. 6,490,060 В1 of Dec. 3,2002.
2. Anthony M.Tai, Juris Upatnieks, Eric J.Sieczka. Compact holographic sight, Patent US No. 5,483,362 of Jan. 9,1996.
3. Eric J.Sieczka, Anthony M.Tai, Robert H.Fish. Low profile holographic sight and method of manufacturing same, Patent US No. 2006/0164704 A1 of Jul. 27, 2006. - прототип
4. Р.Кольер и др., Оптическая голография, изд. «Мир», M., 1973.