ЗАЩИТНЫЙ СВЕТОФИЛЬТР
PROTECTIVE LIGHT FILTER

Изобретение относится к области офтальмологии и оптического приборостроения и может быть использовано при изготовлении противолазерных очков, прицелов, зрительных труб, визиров и других приборов визуального наблюдения в качестве средства индивидуальной защиты глаз от прямого, отраженного или рассеянного лазерного излучения.
1
2
Защита глаз наблюдателей от вредного воздействия лазерного излучения в спектральной области прозрачности оптических сред глаза (видимая область - λ=380-780 нм, ближняя ИК-область λ=780-1400 нм) является весьма актуальной и достаточно трудной задачей, так как при ее решении возникает необходимость удовлетворения весьма противоречивых требований.
v
Так, с одной стороны, для надежной защиты глаз защитный светофильтр, соответствующий высоким степеням защиты (начиная с уровня L3 ГОСТ Р 12.4.254-2010), должен иметь на лазерных длинах волн оптическую плотность D(λ)≥3,0 Б. С другой стороны, для обеспечения достаточно высокой эффективности зрительной работы наблюдателя визуальный коэффициент пропускания светофильтра должен составлять τ≥0,2 (п.4.2.1 ГОСТ Р 12.4.254-2010). Кроме того, при использовании светофильтра в противолазерных защитных очках его габариты и вес должны быть минимальными.
Таким противоречивым требованиям в некоторой степени могут удовлетворять защитные светофильтры, изготавливаемые из цветных оптических стекол, имеющих на лазерных длинах волн достаточно высокие значения оптической плотности D(λ). Так, для защиты от лазерного излучения в ближней ИК-области спектра (λ=780-1400 нм) могут быть применены светофильтры из стекол сине-зеленой группы: СЗС-21, СЗС-22, СЗС-26, которые при приемлемой толщине t≤5-6 мм в указанном спектральном диапазоне имеют достаточно высокую оптическую плотность D(λ)≥3,0 Б. Однако для защиты в области λ=380-780 нм эти стекла уже непригодны для изготовления защитных светофильтров, так как их оптическая плотность на этих длинах волн при толщине 5 мм не превышает значения D(λ)≥2,0 Б, что в большинстве практических применений недостаточно для защиты глаз от прямого и отраженного излучения современных лазерных систем.
1
2
1
2
Для расширения рабочей спектральной области защитных светофильтров можно использовать комбинированные системы, состоящие из поглощающего компонента с оптической плотностью D(λ) и дополнительной оптической детали - подложки, на которую нанесено диэлектрическое отражающее покрытие с оптической плотностью по пропусканию D(λ), ослабляющее лазерное излучение за счет селективного отражения так, чтобы суммарная плотность светофильтра D(λ)=D(λ)+D(λ) была бы достаточной для защиты глаз от лазерного излучения. Однако применение дополнительной детали увеличивает габариты и вес защитного светофильтра, что при использовании его в противолазерных очках повышает утомляемость наблюдателя и ухудшает эксплуатационные характеристики средства защиты.
Таким образом, выполнение перечисленных требований, предъявляемых к современным защитным противолазерным светофильтрам, является достаточно сложной технической задачей, не нашедшей до настоящего времени удовлетворительного технического решения.
Так, в частности, известны поглощающие защитные светофильтры противолазерных очков типа ЗН62-72Л17 (ТУ 64-1-3470-84), изготовленные из цветного оптического стекла и предназначенные для защиты глаз от диффузно рассеянного и отраженного лазерного излучения в спектральной области 337-1060 нм. Очки изготавливаются в двух вариантах исполнения: с защитными светофильтрами толщиной 2 мм (исполнение ЗЛ2) и толщиной 3,6 мм (исполнение ЗЛ4). В указанной спектральной области на лазерных длинах волн светофильтры очков ЗН62-73Л17 со светофильтрами ЗЛ2 имеют оптическую плотность D(λ)=2,0 Б, что удовлетворяет только самым низким степеням защиты L1 и L2. Вследствие этого очки ЗН62-72Л17 со светофильтрами ЗЛ2 имеют весьма ограниченную область применения, так как могут быть использованы только для защиты от лазерного излучения, диффузно рассеянного низкоотражающими поверхностями, удаленными на значительное расстояние от глаз наблюдателя. Для защиты от лазерного излучения, рассеянного высокоотражающими поверхностями (например, белые стены зданий и помещений), а также от зеркально отраженного излучения, и, тем более, от прямого попадания лазерного луча, защитные светофильтры ЗЛ2 совершенно непригодны вследствие недостаточной оптической плотности.
v
v
Другим существенным недостатком светофильтра ЗЛ2 является низкое значение визуального коэффициента пропускания τ=7%, что также недостаточно, так как существенно ухудшает эффективность зрительной работы наблюдателя. Так, например, при использовании защитных очков с τ=10-13% дальность распознавания наблюдаемых объектов в сумеречное время суток уменьшается в 5 раз [1].
v
В исполнении ЗЛ4 светофильтры очков ЗН62-72Л17 на лазерных длинах волн в области 337-1060 имеют оптическую плотность D(λ)=4,0 Б, что удовлетворяет более высокой по сравнению с ЗЛ2 степени защиты - L4. Однако визуальный коэффициент пропускания светофильтров в исполнении ЗЛ4 не превышает τ=1,0-1,5%, что делает их практически непригодным для эффективной зрительной работы даже в дневное время суток.
v
Известен также защитный светофильтр очков типа «Spectrogard», производства фирмы Spectrolab (США) [2]. Светофильтр предназначен для защиты от лазерного излучения в видимой и ближней ИК-области спектра. Он состоит из двух деталей - расположенного первым по ходу излучения поглощающего компонента из цветного стекла толщиной 5 мм, за которым помещена дополнительная оптическая деталь - прозрачная подложка с нанесенным на нее узкополосным отражающим диэлектрическим покрытием с коэффициентом отражения R=0,90. Визуальный коэффициент пропускания светофильтра равен τ=12%.
По технической сущности защитный светофильтр очков «Spectrogard» является прототипом предлагаемого изобретения.
К недостаткам защитного светофильтра очков «Spectrogard» относятся:
- конструктивная сложность устройства, обусловленная наличием в нем двух оптических деталей, размещенных в общей оправе - поглощающего компонента и подложки, несущей отражающее диэлектрическое покрытие;
v
- низкое значение визуального коэффициента пропускания τ=12%, что существенно снижает эффективность зрительной работы наблюдателя, применяющего светофильтр в сумеречное время суток;
- значительные габариты и вес светофильтра, обусловленные наличием в его составе дополнительной оптической детали - подложки диэлектрического покрытия и большой толщиной поглощающего компонента из цветного стекла.
Применение цветного стекла большой толщины обусловлено необходимостью обеспечить достаточную для защиты от лазерного излучения оптическую плотность D(λ) поглощающего компонента, размещенного в оправе очков «Spectrogard» со стороны падения излучения и, вследствие этого, первым воспринимающего световой поток.
3
-2
-1
-2
-9
8
-2
При такой компоновке элементов защитного светофильтра в его поглощающем компоненте возможно возникновение эффекта просветления, уменьшающего оптическую плотность поглощающей среды. Так, для степени защиты L6 (ГОСТ Р 12.4.254-2010) в спектральной области 380-1400 нм энергетическая экспозиция на поверхности светофильтра достигает значения Н=5·10 Дж·м=5·10 Дж·см при длительности лазерного импульса τ=10 с (табл.1, ГОСТ Р 12.4.254-2010). Энергетическая освещенность в этом случае составит Е=5·10 Вт·см, что вполне достаточно для возбуждения нелинейных эффектов просветления в среде, существенно уменьшающих [3, 4] ее показатель поглощения, равный в непросветленном состоянии k(λ), до значения k'(λ)=k(λ)/n, где n>1 - коэффициент, учитывающий уменьшение показателя поглощения среды при ее просветлении. Вследствие этого в условиях просветления светофильтр плотностью D(λ), гарантирующей защиту глаз от лазерного излучения, должен иметь толщину t=D(λ)/k'(λ)=n·D(λ)/k(λ), то есть в n раз большую, чем в непросветленном состоянии.
Целью изобретения является упрощение конструкции защитного светофильтра, уменьшение его габаритов и веса и повышение эффективности зрительной работы наблюдателя, использующего светофильтр, за счет повышения визуального коэффициента пропускания светофильтра.
Поставленная цель изобретения достигается тем, что в защитном светофильтре, предназначенном для защиты глаз наблюдателя от лазерного излучения в видимой области спектра, включающем поглощающий излучение компонент с отражающим узкополосным диэлектрическим покрытием, поглощающий компонент выполнен из резонансно поглощающего на лазерных длинах волн материала большой оптической плотности, а диэлектрическое покрытие нанесено на его поверхность со стороны падения на светофильтр лазерного излучения и имеет коэффициент отражения на лазерных длинах волн, равный R≥0,95, а для работы в ближней ИК-области спектра перед поглощающим компонентом со стороны нанесенного диэлектрического покрытия дополнительно установлен второй поглощающий компонент из цветного оптического стекла сине-зеленой группы.
Устройство защитного светофильтра представлено на рисунке.
Лазерное излучение, для защиты от которого предназначен заявляемый светофильтр, поступает на его компонент 1, изготовленный из цветного оптического стекла сине-зеленой группы, обладающего сильным поглощением в ближней ИК-области спектра и практически не ослабляющего излучение видимой области. Вследствие этого мощность излучения лазеров ближней ИК-области спектра уменьшается за счет поглощения светового потока в компоненте 1 до уровня, безопасного для глаз наблюдателя.
Излучение видимого спектрального диапазона проходит пластину сине-зеленого стекла компонента 1 без существенного поглощения и поступает на высокоотражающее диэлектрическое покрытие 2, нанесенное на поверхность поглощающего компонента 3 со стороны падения на него излучения. Компонент 3 изготавливается из резонансно поглощающего материала, то есть оптической среды, которая в области длины волны воздействующего излучения обладает крутым фронтом спектральной полосы интенсивного поглощения и имеет вследствие этого на лазерных длинах волн большую оптическую плотность D(λ).
v
v
Благодаря предложенному техническому решению реализуется возможность существенного увеличения визуального коэффициента пропускания τ защитного светофильтра по сравнению со светофильтрами - аналогами ЗЛ2 и ЗЛ4, изготовленными из цветных оптических стекол с пологим фронтом широкой спектральной полосы поглощения, то есть имеющих в области лазерных длин волн плавный переход от максимального поглощения к минимальному. В этом случае одновременное достижение высоких значений τ и D(λ) принципиально невозможно, что и имеет место у светофильтров-аналогов ЗЛ2 и ЗЛ4.
Предложенное техническое решение обеспечивает следующие преимущества заявляемого устройства по сравнению с прототипом.
Во-первых, нанесение узкополосного отражающего диэлектрического покрытия непосредственно на поверхность поглощающего компонента устраняет необходимость в дополнительной оптической детали - подложке диэлектрического покрытия, что существенно упрощает конструкцию и технологию изготовления и сборки защитного светофильтра, уменьшает его габариты и вес.
Во-вторых, размещение на поверхности поглощающего компонента со стороны падения на него излучения отражающего диэлектрического покрытия с коэффициентом отражения на лазерных длинах волн R≥0,95 более чем в 20 раз уменьшает энергетическую освещенность компонента, что устраняет возможность существенного уменьшения его оптической плотности вследствие возбуждаемого под действием мощного лазерного излучения эффекта просветления среды. Благодаря этому предложенное техническое решение позволяет уменьшить толщину поглощающего компонента светофильтра по сравнению с прототипом, в котором поглощающий компонент не защищен от прямого воздействия лазерного излучения. Уменьшение толщины компонента приводит к уменьшению веса защитного светофильтра и к увеличению его визуального коэффициента пропускания, что повышает эффективность зрительной работы наблюдателя, применяющего защитный светофильтр. Поэтому предложенное техническое решение «Защитный светофильтр» обладает существенным преимуществом и новизной по отношению к устройству-прототипу.
Достигаемый выигрыш в толщине (а следовательно, и в весе и визуальном коэффициенте пропускания) поглощающего компонента поясняется приведенным ниже расчетом.
ф
к
оп
ф
к
оп
к
ф
оп
Оптическая плотность D, обеспечивающая необходимую степень защиты от лазерного излучения, светофильтра, состоящего из двух расположенных друг за другом элементов - поглощающего компонента с плотностью D и отражающего диэлектрического покрытия с оптической плотностью по пропусканию D, равна D=D+D. Тогда оптическая плотность поглощающего компонента должна составлять D=D-D.
к
к
ф
оп
λ
ф
оп
λ
Пусть поглощающий компонент из резонансно поглощающего материала, как и в светофильтре-прототипе, расположен перед отражающим покрытием. Тогда его поверхность подвергается прямому воздействию ничем неослабленного мощного лазерного излучения, возбуждающего в материале компонента эффект просветления. Вследствие этого оптическая плотность компонента уменьшается в n раз по сравнению с плотностью в непросветленном состоянии. Поэтому для достижения необходимой степени защиты оптическую плотность компонента необходимо принять равной D'=n·D=n·(D-D). В этом случае при коэффициенте поглощения материала k толщина поглощающего компонента составит t=n·(D-D)/k.
к
ф
оп
1
ф
оп
λ
Разместим теперь поглощающий компонент за отражающим покрытием, ослабляющим более чем в 20 раз мощность падающего излучения. В этом случае материал компонента будет работать практически без просветления и при необходимой оптической плотности поглощающего компонента D=D-D его толщина составит t=(D-D)/k, то есть в n раз меньше найденного выше значения t, которое должно иметь место при компоновке защитного светофильтра по схеме светофильтра-прототипа.
Так, в наших экспериментах для оптических стекол оранжевой группы ОС, применяемых для защиты от лазерного излучения видимой области, было получено значение n=1,8÷2,2, то есть изготовленный из этих стекол поглощающий компонент заявленного устройства может иметь практически вдвое меньшую толщину и вес, чем обладающий той же степенью защиты компонент, построенный по схеме прототипа.
При практической реализации заявленного устройства могут быть использованы следующие технические решения.
Для изготовления поглощающего компонента, предназначенного для защиты от лазерного излучения в видимой области спектра, в качестве резонансно поглощающего материала большой оптической плотности в области спектральных линий лазерного излучения могут быть использованы оптические стекла оранжевой группы марок ОС-11, ОС-12, ОС-13, ОС-14, ОС-23, пурпурное стекло ПС-7 или их зарубежные аналоги, а также прозрачные пластмассы - поликарбонат, полиметилметакрилат, полистирол, активированные органическими или металлоорганическими красителями.
Для работы в ближней ИК-области спектра поглощающий компонент может быть изготовлен из оптических стекол сине-зеленой группы марок СЗС-21, СЗС-22, СЗС-25, СЗС-26 или их зарубежных аналогов.
Были испытаны три опытных образца защитного светофильтра, изготовленных в соответствии с предлагаемым техническим решением. Результаты испытаний приведены в таблице, где сравниваются параметры предложенного защитного светофильтра и светофильтра-прототипа.
Таблица
Исследуемый параметр
Прототип
Заявленное устройство
Номер образца
1
2
3
D(λ) Бел
5,0
5,6
5,4
5,5
τ<sub>v</sub>, %
12
38
39
37
Толщина поглощающего компонента, t, мм
5,0
2,0
2,1
2,2
Вес, г
27,0
13,0
14,0
14,5
v
v
v
Таким образом, по отношению к объекту-прототипу заявленное техническое решение «Защитный светофильтр» обладает существенными преимуществами и новизной, заключающимися в уменьшении габаритов и веса устройства и в повышении эффективности зрительной работы наблюдателя, использующего предложенный защитный светофильтр. Последнее преимущество возникает за счет существенного увеличения визуального коэффициента пропускания заявляемого фильтра (τ>30%) по сравнению с фильтром-прототипом очков «Spectrogard» (τ>12%). Благодаря увеличению значения τ более чем в 3 раза дальность распознавания наблюдаемых объектов в сумеречное время суток повышается в 5 раз.
Снижение веса заявленного устройства в 2 раза по сравнению с фильтром очков «Spectrogard» существенно уменьшает утомляемость наблюдателя от ношения защитных очков, что также повышает технико-экономическую эффективность заявленного устройства.
Технико-экономическая эффективность заявленного устройства превышает прототип - очки «Spectrogard» и по технологичности изготовления и сборки защитного светофильтра, так как в заявленном устройстве отсутствует дополнительная оптическая деталь, служащая подложкой диэлектрического покрытия.
Существенный положительный технический эффект возникает и за счет предложенной в заявляемом устройстве компоновки защитного светофильтра, в котором поглощающий компонент ИК-диапазона располагается перед диэлектрическим покрытием компонента видимой области. Благодаря этому диэлектрическое покрытие предложенного устройства оказывается полностью защищенным от механических и климатических воздействий окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н.П.Травникова. Эффективность визуального поиска. - М.: Машиностроение, 1985, 128 с.
2. Б.В.Овчинников. Противолазерные очки. Обзор. Зарубежная военная техника, т.7, вып.6, 1980, 24 с.
3. Г.И.Каданер, Б.В.Овчинников. ОМП, №8, 1980, c.13.
4. С.В.Гапоненко, В.П.Грибковский и др. ЖПС, т.37, вып.5, 1982, с.863.