ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА КОМПАКТНОГО КОЛЛИМАТОРНОГО ПРИЦЕЛА НА ОСНОВЕ ОБЪЁМНОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ

Область техники
Полезная модель относится к оптической схеме топографического коллиматорного прицела, формирующего с помощью голограммного оптического элемента (ГОЭ) изображение прицельного знака, совмещаемое с объектом прицеливания (целью).
Уровень техники
Известны многие топографические прицелы для применения на ручном стрелковом оружии, формирующие в пространстве прицеливания мнимое изображение прицельного знака. Эти прицелы включают полупроводниковый лазер, используемый в качестве источника оптического излучения. Изменение длины волны света, излучаемого лазером, происходит при неизбежных изменениях температуры окружающей среды. Это приводит к смещению восстановленного с голограммы изображения прицельного знака от оси прицеливания. Устранение этого дефекта является одной из важнейших проблем при разработке оптических схем прицелов. Для устранения этого дефекта часто используют компенсирующий (синоним: ахроматизирующий) дифракционный оптический элемент (синоним: дифракционная решетка), обеспечивающий некоторое повышение стабильности положения наблюдаемого изображения прицельного знака при изменении длины волны излучения источника света.
В оптических схемах топографических коллиматорных прицелов используют один или несколько дифракционных оптических элементов, создающих угловой сдвиг считывающего луча и тем самым частично компенсирующих сдвиг считанного с голограммы изображения при изменении длины волны считывающего колимированного пучка света от источника оптического излучения.
Есть оптическая схема топографического прицела, описанная в патенте РФ RU 67699 ТОПОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРИЦЕЛЬНОГО ЗНАКА (RU 67699, МПК F41G 1/12, опубл. 27.10.2007), где представлен топографический коллиматорный прицел, в котором в качестве ахроматизирующего элемента используются дифракционные решетки. Прицел формирует мнимое изображение прицельного знака в бесконечности с помощью ГОЭ. Прицел включает лазер, зеркало, коллимирующий объектив, первую ахроматизирующую пропускающую дифракционную решетку, голограммный оптический элемент, формирующий мнимое изображение прицельного знака в пространстве прицеливания, а также установлена вторая ахроматизирующая пропускающая дифракционная решетка с отличающейся пространственной частотой от частоты первой дифракционной решетки, расположенной между коллимирующим объективом и голограммным оптическим элементом. Вторая ахроматизирующая пропускающая дифракционная решетка обеспечивает стабильность положения наблюдаемого изображения прицельного знака в условиях температурного ухода длины волны света источника, а также компенсирует дисперсионное размытие изображения при использовании источников света с относительно широкой спектральной полосой излучения.
Однако, данная оптическая схема является достаточно сложной и многокомпонентной.
В патенте США US 5483362 COMPACT HOLOGRAPHIC SIGHT (МПК F41G 1/35; G03H 1/00; G03H 1/22; (IPC1-7): F41G 1/00; G02B 5/32; G03H 1/22, опубл. 1996-01-09) представлен топографический прицел, в котором для стабилизации положения изображения прицельного знака, восстановленного с ГОЭ, в качестве ахроматизирующих оптических элементов авторы предлагают использовать призмы и/или дифракционные решетки. Поскольку дисперсия призмы недостаточна для компенсации отклонения продифрагировавшего на голограмме луча, на призму дополнительно устанавливается дифракционная решетка (это сочетание позволяет увеличить величину дисперсии).
В патенте США US 6490060 LIGHTWEIGHT HOLOGRAPHIC SIGHT (МПК G02B 23/14; G02B 5/32; опубл. 2002-12-03) представлен топографический прицел, в котором стабилизация положения прицельного знака при изменении длины волны излучения лазерного диода (в качестве источника излучения) осуществляется с помощью отражающей дифракционной решетки, на которую направляется коллимированный пучок света от лазера. Продифрагировавший на решетке луч испытывает угловое смещение при изменении длины волны лазерного излучения, параметры которого выбираются таким образом, чтобы оно компенсировало сдвиг изображения, считываемого с ГОЭ. Голограммная отражающая дифракционная решетка предназначена для компенсации изменения длины волны излучения лазерного диода, вызванное изменением температуры прицела и окружающей его среды. ГОЭ предназначен для формирования прицельного знака на большом расстоянии (теоретически в бесконечности) путем восстановления соответствующей волны света при его освещении коллимированным лазерным излучением.
Недостатком описанных прицелов является сравнительно большой вертикальный. размер, так как плоскости ахроматизирующей решетки и ГОЭ должны быть параллельны (или почти параллельны) между собой, а апертуры этих элементов не должны перекрываться.
Устранение этого недостатка было задачей патента США US 7145703 LOW PROFILE HOLOGRAPHIC SIGHT AND METHOD OF MANUFACTURING SAME (МПК G02B 5/32, опубл. 2006-12-05) (принят за прототип), в котором в качестве ахроматизирующего элемента использовалась объемная отражающая голограмма, установленная с расчетным наклоном к плоскости ГОЭ. Оптическая схема прицела содержит источник оптического излучения для голограммного изображения прицельного знака, коллимационный объектив, компенсирующую объемную отражающую топографическую дифракционную решетку, установленную с расчетным наклоном к плоскости ГОЭ, сам ГОЭ с изображающей голограммой прицельного знака с возможностью прохода излучения от источника последовательно через компактно расположенную совокупность коллимационного объектива, компенсирующей объемной топографической дифракционной решетки и ГОЭ для формирования в глазу пользователя прицела результирующего наложения изображения цели и голограммного изображения прицельного знака
Однако использование такой голограммы привело к другому ограничению - уменьшению допустимого диапазона изменения длины волны лазерного источника излучения.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание оптической схемы компактного топографического коллиматорного прицела со значительно расширенным допустимым диапазоном изменения длины волны лазера, используемого в качестве источника оптического излучения в прицеле.
Для достижения технического результата предлагаемая оптическая схема компактного коллиматорного прицела, содержащая источник оптического излучения для голограммного изображения прицельного знака, коллимационный объектив, компенсирующую объемную голографическую дифракционную решетку, ГОЭ с изображающей голограммой прицельного знака с возможностью прохода излучения от источника последовательно через компактно расположенную совокупность коллимационного объектива, компенсирующей объемной топографической дифракционной решетки и ГОЭ для формирования в глазу пользователя прицела результирующего наложения изображения цели и мнимого голограммного изображения прицельного знака. При этом компенсирующая объемная топографическая дифракционная решетка является пропускающего типа с дополнением на плоской задней поверхности плоской отражающей зеркальной поверхности, обращенной навстречу падающему пучку лучей от коллимационного объектива сквозь указанную компенсирующую объемную голографическую дифракционную решетку пропускающего типа. Коллимационный объектив преимущественно выполнен в виде внеосевого сферического зеркала
В новой оптической схеме компактного топографического коллиматорного прицела непосредственно позади компенсирующей дифракционной решетки пропускающего типа установлено зеркало (или нанесена (напылена) зеркальная поверхность (пленка) (зеркальная пленка может быть нанесена на заднюю поверхность пластинки, на которую записана топографическая решетка)), в результате чего исходная решетка приобретает дополнительное свойство отражающей решетки, сохранив при этом широкополосность решетки пропускающего типа и оставаясь свободной от жесткого ограничения на диапазон изменения длины волны источника оптического излучения (или лазерного диода или светодиода).
Перечень фигур
Фиг. 1 - компенсирующая топографическая дифракционная решетка пропускающего типа, за которой установлено зеркало или зеркальная пленка, и ГОЭ с изображающей голограммой;
Фиг. 2 - предлагаемая оптическая схема компактного коллиматорного прицела.
Осуществление полезной модели
На рисунках в единой нумерации обозначены позициями: 1 - полупроводниковый источник оптического излучения (или лазерный диод или светодиод; 2 - коллимационный объектив (в частном случае в виде внеосевого сферического зеркала); 3 - компенсирующая объемная топографическая дифракционная решетка пропускающего типа; 4 - зеркальная поверхность (зеркало) на задней поверхности указанной дифракционной решетки; 5 - ГОЭ с изображающей голограммой; 6 - глаз пользователя прицела; 7 - цель на большом расстоянии от прицела (с мнимым изображением прицельного знака). Прим.: глаз и цель - в оптическую схему прицела как устройства не входят
Пример осуществления оптической схемы компактного коллиматорного прицела включает в себя лазерный диод в качестве источника излучения 1, излучающий на длине волны 650 нм и установленный под углом 15 градусов к коллимационному объективу 2 (сферическому зеркалу), компенсирующая объемная топографическая дифракционная решетка пропускающего типа 3 (тоже голограммный оптический элемент пропускающего типа), установленный таким образом, чтобы дифрагированное излучение выходило по нормали к самому элементу, плоского зеркала 4, установленного вплотную к решетке 3, и ГОЭ 5 с изображающей голограммой. Излучение от лазерного диода коллимируется с помощью сферического зеркала, попадает на решетку 3, дифрагирует и отражается от зеркала 4 в первом порядке. Далее излучение попадает на изображающую голограмму 5, с которой и восстанавливается изображение прицельного знака с формированием в глазу пользователя прицела результирующего наложения изображения цели и мнимого голограммного изображения прицельного знака.
Рассмотрим требования, которые должны быть выполнены для того, чтобы компенсирующая дифракционная решетка (КДР) обеспечивала стабильное положение считанного прицельного знака. КДР, используемая в патентах-аналогах; представляет собой записанную на голографический носитель картину, возникающую при интерференции двух плоских волн, т.е. по существу она является голограммой теоретически бесконечно удаленного точечного источника. Параметры КДР выбирают таким образом, чтобы стабилизировать в первую очередь направление считанной с ГОЭ волны, соответствующей центральной точке прицела.
Рассмотрим структуру ГОЭ, на котором записано изображение прицельного знака. Поскольку это мнимое изображение должно восстанавливаться на объекте прицеливания, т.е. расстояние до него очень велико, то световая волна, соответствующая одной точке изображения знака, практически не отличается от плоской волны, так что можно считать, что ГОЭ представляет собой по существу набор дифракционных решеток с постоянным периодом.
Рассмотрим процессы записи и считывания дифракционных решеток при использовании для записи светочувствительного носителя, представляющего собой плоскую пленку на плоской подложке. В процессе записи на носитель проецируется интерференционная картина, возникающая при наложении опорной и объектной волны. Рассматриваем вариант, когда обе эти волны имеют плоский волновой фронт и имеют разное направление распространения. При этом в зоне взаимного наложения волн формируется интерференционная картина в виде плоских полос, направленных вдоль биссектрисы угла между интерферирующими волнами. В результате после записи и (если это требуется) фотохимической обработки в объеме носителя формируются страты - полоски, в которых в результате записи произошло изменение либо коэффициента поглощения либо коэффициента преломления фотоматериала.
При считывании процесс формирования считанного с топографической дифракционной решетки светового пучка состоит из двух этапов.
На первом этапе происходит рассеяние падающей световой волны на оптических неоднородностях голограммы - стратах, сформировавшихся в результате записи и последующей обработки голограммы. Так как страта представляет собой плоскую пластинку с ограниченными размерами, то рассеянная на ней волна является результатом отражения света от зеркальца с ограниченной апертурой, вследствие чего отраженная стратой волна испытывает дифракционную расходимость, причем угловая расходимость этой волны обратно пропорциональна величине апертуры отраженной волны.
На втором этапе происходит интерференция световых пучков, созданных отдельными стратами, в результате чего и формируется продифрагировавший луч, расходимость которого значительно меньше расходимости волны, отраженной от отдельной страты.
При изменении длины волны считывающего луча практически не происходит изменений светового пучка, отраженного от отдельной страты. В первом приближении параметры этого пучка определяются, как результат дифракции плоской волны при отражении от апертуры страты. В то же время в соответствии с законами интерференции при изменении длины волны светового пучка происходит изменение направления на максимум интерференционной картины, создающейся в результате наложения световых пучков от отдельных страт, и, соответственно, нарушается закон угла Брэгга. Изменение направления на максимум продифрагировавшего луча приводит к сдвигу восстановленного с голограммы изображения, а следствием нарушения закона Брэгга является уменьшение яркости восстановленного изображения.
Направление распространения этого луча определяется законами интерференции света, а амплитуда поля становится тем меньше, чем дальше направление дифракционного луча смещается от направления зеркального отражения от страты. Допустимое смещение продифрагировавшего луча, не приводящее к заметному уменьшению его амплитуды, оказывается тем большим, чем меньше апертура отраженного от страты пучка света. Этому условию легче удовлетворяют топографические решетки пропускающего типа. Расчеты показывают, что при типичных значениях α=5° и β=15° (α и β - углы падения на голографический носитель интерферирующих световых пучков с плоскими волновыми фронтами.) решетки пропускающего типа допускают сдвиг проходящего луча до ±10°…20°.
В соответствии с законами интерференции величина d (период повторения интерференционных полос на поверхности носителя) зависит от длины волны λ интерферирующих лучей и от углов α и β в соответствии с формулой: sinα±sinβ=(λ/d).
Соответственно, решетки пропускающего типа могут работать в диапазоне типовых длин волн лазера 650±30 нм (то есть гораздо больший диапазон), чем решетки отражательного типа, допускающие сдвиг луча не более ±1,5° и соответственно могущие работать в диапазоне не более 650±10 нм.
На базе этих сведений можно сделать вывод, что желательно найти альтернативную замену отражающим голограммам дифракционных решеток (топографическим решеткам), которые с одной стороны позволяют уменьшить габариты и вес прицела, но с другой стороны не обеспечивают удовлетворительную работу прицела в требуемом широком диапазоне изменения длины волны лазерного источника.
В качестве такой замены предлагается использовать голографическую решетку пропускающего типа, за которой навстречу проходящим через решетку лучам установлено зеркало (или нанесена зеркальная пленка на заднюю поверхность пластинки, на которую записана топографическая решетка). Считанный с просветной голограммы луч отражается от зеркала и проходит обратно сквозь голограмму без повторной дифракции, так как испытав значительное угловое отклонение при первом проходе этот луч удалился от условия (угла) Брэгга. Полученный таким образом элемент может быть использован в качестве КДР (или в более широком плане - ахроматизирующей дифракционной решетки (АДР)).
1
2
1
2
Рассмотрим возможность компенсации (ахроматизации), если плоскости АДР и ГОЭ в общей оптической схеме ощутимо непараллельны между собой. Исключить полностью зависимость направления на изображение прицельного знака от длины волны излучения λ в этом случае не удается; однако, и в этом случае существует ограниченный диапазон допустимого изменения длины волны. Предлагаемая оптическая схема прицела представлена на фиг. 1. Здесь 3 - просветная топографическая дифракционная решетка, которая совместно с зеркалом 4 используется в качестве ахроматизирующего (компенсирующего) элемента. 5 - ГОЭ с записанным на нем изображением прицельного знака, α, α - углы падения на ахроматизирующий элемент и на ГОЭ считывающего луча, φ - угол между плоскостями ахроматизатора и ГОЭ, β, β - отклонение от нормали к голограмме продифрагировавших лучей.
1
Величина угла β определяется формулой ,
1
1
1
где λ - длина волны считывающего лазерного пучка света, d - период дифракционной решетки. Величина угла α=φ-β
Тогда направление считанного с ГОЭ луча, определяющее направление на изображение прицельного знака, определяется соотношением
0
0
10
1
0
λ - номинальная длина волны лазера. Выберем период голограммы 1 таким, чтобы получалось , т.е., чтобы при λ=λ величина β была равна нулю (считанный с КДР луч перпендикулярен к его поверхности). Тогда при изменении длины волны величина β определяется формулой , где Δλ=λ-λ
Соответственно,
Выберем величину  Тогда получим
1
1
10
1
2
2
Таким образом, с точностью до  величина sinβ остается постоянной при изменении λ. При λ=650 Нм и Δλ-30 Нм смещение знака не превышает 3,5 угл.мин. Для численного примера выберем следующие параметры: φ=4°, α=7°, β=0. Тогда d=0,6917155521 мкм, d=0,902970524 мкм, β=4,2°.
Габариты оптической схемы при размерах ГОЭ 2,5 см получаются 4,5×3,6 см.
2
Приемлемые по допускам смещения (сдвиги в угловых минутах (угл.мин.) и соответствующие им углы β) считанного изображения прицельного знака с ГОЭ при изменении длины волны излучения λ представлены далее:
Реализация настоящей полезной модели обеспечивает стабилизацию положения изображения прицельного знака при температурном изменении длины волны лазера в значительно расширенных пределах диапазона изменения длин волн источника оптического излучения 650±30 нм.