ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ

Полезная модель относится к голографическим коллиматорным прицелам для ручного спортивного или боевого стрелкового оружия, формирующим мнимое изображение прицельного знака в бесконечности с помощью голограммного оптического элемента (ГОЭ).
Обычные коллиматорные оптические прицелы представляют собой длиннофокусный объектив, в фокальной плоскости которого формируется прицельная марка, подсвечиваемая источником света, изображение которой, в свою очередь, рассматривается глазом стрелка непосредственно (открытая схема коллиматорного прицела) или через окуляр (закрытая схема коллиматорного прицела). Коллиматорные прицелы, как и классические оптические прицелы, состоят из корпуса, оптической и механической систем. Основное отличие коллиматорных прицелов от классических оптических состоит в том, что изображение прицельной марки в поле зрения стрелка у них формируется оптической системой в виде пучка параллельных лучей, имитирующих бесконечно удаленную точку. При этом стрелку кажется, что изображение прицельной марки вынесено на бесконечность, и его фокальная плоскость совпадает с плоскостью цели. Поэтому коллиматорные прицелы в гораздо меньшей степени, чем классические оптические прицелы, подвержены эффекту параллакса. Стрелок может смещать голову от оси прицеливания, но если перемещения находятся в пределах апертуры объектива (открытая схема) или окуляра прицела (закрытая схема), то прицельная марка будет оставаться наведенной на цель. Принцип формирования прицельной марки коллиматорного прицела позволяет осуществлять прицеливание при наблюдении объекта обоими глазами, т.к. для наблюдения изображения прицельного знака не требуется переаккомодации глаза. Это, в свою очередь, позволяет быстро производить прицеливание путем совмещения прицельной марки с целью, а также контролировать окружающую стрелка обстановку. Конструкция некоторых коллиматорных прицелов позволяет использовать их совместно с увеличителями (увеличение самого коллиматорного прицела равно единице) и приборами ночного видения.
При всех своих достоинствах существующие коллиматорные прицелы на основе традиционных оптических элементов имеют ряд недостатков, а именно:
1. ограничение по апертуре, определяемое размером окуляра прицела;
2. необходимость использовать в конструкции прицела высококачественный объектив для формирования пучка параллельных лучей;
3. необходимость использовать миниатюрную высококачественную маску, формирующую вид прицельной марки;
4. формирование бликов в сторону цели от источника света;
5. наличие окраски поля зрения (апертуры) из-за использования просветляющих покрытий оптических элементов;
6. вероятность потери видимости прицельной марки при частичном загрязнении или повреждении объектива и/или окуляра прицела;
Использование голограммного оптического элемента в схеме коллиматорного прицела позволяет преодолеть вышеуказанные недостатки существующих коллиматорных прицелов, а также упростить конструкцию прицела за счет уменьшения количества, массы и габаритов используемых в нем оптических элементов.
В патенте (РФ №2034321,опубликованный 30.04.95) описано устройство голограммного коллиматорного прицела, содержащего голограммный оптический элемент, при подсветке которого лазерным излучением в бесконечности восстанавливается прицельная марка. Отличительная особенность данного прицела состоит в том, что голограммный оптический элемент является отражательным и синтезирован из оптически прозрачных слоев с разными показателями преломления. Это же является и главным недостатком данной системы, поскольку подсветка голограммного оптического элемента осуществляется под малым углом (менее 10°) в направлении цели, в результате чего часть излучения проходит через голограммный оптический элемент и демаскирует стрелка.
В патенте (США №5483362, опубликованный 09.01.96) представлена схема голограммного коллиматорного прицела, в котором все элементы установлены в отдельных креплениях на общем основании. Схема содержит лазерный источник, линзу, ахроматизатор и голограммный оптический элемент. Линза формирует параллельный пучок, а ахроматизатор обеспечивает постоянство положения прицельного знака смещении длины волны излучения лазерного источника вызванным температурными колебаниями. Также в прицеле предусмотрены регулировка яркости и юстировка для выверки положения прицельного знака. Для уменьшения размеров прицела предложены различные оптические схемы, содержащие призмы. Недостатком данной схемы является то, что все компоненты расположены на одной прямой, вследствие чего существенно увеличивается продольный габарит прицела и его невозможно использовать на пистолете, а большое количество юстировок усложняет конструкцию и процесс настройки всего прицела.
В схеме прицела, представленной в патенте (РФ №2355989,опубликованный 20.05.09) последовательно установлены: лазерный диод, поворотное зеркало, коллимирующий объектив, две ахроматизирующие дифракционные решетки, голограммный оптический элемент. Две дополнительные ахроматизирующие дифракционные решетки обеспечивают стабильность углового положения прицельной метки при температурном дрейфе длины волны считывающего излучения. Недостатком данной схемы является необходимость записи ахроматизирующих дифракционных решеток, а наличие двух дополнительных элементов усложняет конструкцию.
Наиболее близким из аналогов к предлагаемому голографическому коллиматорному прицелу является принятый в качестве прототипа прицел, описанный в патенте (США №6490060, опубликованный 03.12.2002).В этом патенте оптическая схема прицела включает в себя последовательно установленные вдоль оптической оси лазерный диод, коллимирующую систему, голограммный оптический элемент. Коллимирующая система выполнена в виде вне осевого сферического зеркала с двумя сферическими поверхностями с различными радиусами кривизны, причем на передней сферической поверхности нанесено просветляющее покрытие (на соответствующую длину волны лазерного излучения), а на заднюю сферическую поверхность нанесено отражающее (обычно алюминиевое) покрытие. Радиусы кривизны и показатель преломления оптической детали коллимирующего зеркала рассчитаны на минимум сферической аберрации. Так же в схеме прицела присутствует голограммная отражающая дифракционная решетка, которая предназначена для компенсации изменения длины волны излучения лазерного диода, вызванного изменением температуры прицела и окружающей его среды. Голограммный оптический элемент устанавливается между двумя плоскими оптическими стеклами, служащими для защиты от пыли, царапин и других воздействий.
Недостатками указанного голографического коллиматорного прицела является наличие дополнительных элементов в оптической схеме прицела, что приводит к возникновению аберраций и искажениям при восстановлении прицельного знака в бесконечности, а также увеличивает вес и стоимость изделия. При этом компенсация ухода углового положения прицельного знака с помощью ахроматизирующей отражающей дифракционной решетки может быть осуществлена только для конкретных углов падения лазерного излучения на дифракционную решетку, а не для всего диапазона изменения углов падения.
Задачей полезной модели является повышение точности голографического коллиматорного прицела, уменьшение искажений при восстановлении голограммы прицельного знака, минимизация габаритов прицела.
Техническим результатом, за счет которого решается поставленная задача, является минимизация влияния температурного дрейфа длины волны излучения лазерного диода, приводящего к смещению прицельного знака.
Технический результат достигается за счет того, что голографический коллиматорный прицел, содержащий последовательно установленные на оптической оси лазерный диод, коллимирующую систему, голограммный оптический элемент, отличается тем, что глограммный оптический элемент выполнен в виде объемной высоко-селективной фазовой голограммы на фото-термо-рефрактивном стекле.
Сущность полезной модели поясняется на фиг., где представлена оптическая схема голографического коллиматорного прицела в соответствии с заявляемой полезной моделью. Голографический коллиматорный прицел состоит из лазерного диода 1, коллимирующей системы 2 и голограммного оптического элемента 3. В представленном варианте оптической схемы голографического коллиматорного прицела, голограммный оптический элемент 3 выполнен в виде объемной высоко-селективной фазовой голограммы на фото-термо-рефрактивном стекле.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазерного диода 1 проходит через коллимирующую систему 2, которая формирует параллельный пучок с требуемой степенью расходимости, затем сформированный параллельный пучок падает на голограммный оптический элемент 3, который осуществляет спектральное ограничение падающего излучения и формирует мнимое изображение прицельного знака.
В качестве голограммного оптического элемента используется высокоселективная объемная голограмма записанная на фото-термо-рефрактивном стекле. Данный материал обладает высокими термической и химической стойкостью, сравнимой со стеклом K8, что позволяет использовать его без каких-либо защитных покрытий. Голограммы записанные на данном материале обладают высокой стабильностью, не подвержены старению и сохраняют свои свойства при нагреве до 400°C. Благодаря отсутствию поглощения в видимой области спектра, данный материал позволяет получать чисто фазовые, объемные, высоко-селективные голограммы, с высоким пропусканием и высокой дифракционной эффективностью. Так как голограммный оптический элемент выполнен в виде фазовой объемной голограммы, то условия рефракции излучения на данной структуре определяется условием Брэгга. В такой голограмме при несоответствии параметров считывающего излучения (длины волны и угла падения) условиям Брэгга происходит падение интенсивности до 0% в соответствии со значением параметра расфазировки ξ. Для голограммы с дифракционной эффективностью равной 100% значение параметра ξ соответствующее падению интенсивности дифрагированного излучения до 0% равно 2.7.
,
ξ - параметр расфазировки, δ - отклонение от угла Брэгга, λ - длина волны считывания, θ - угол Брэгга, T - эффективная толщина голограммы, n - показатель преломления.
С учетом того, что угол падения считывающего голограмму излучения фиксирован оптической схемой прицела, то параметр расфазировки характеризуется лишь отклонением от длины волны считывающего излучения и выражение для параметра расфазировки принимает следующий вид:
,
Δλ - отклонение от длины волны считывания.
-3
С учетом вышеуказанной формулы, можно рассчитать при каком отклонении от заданной длины волны считывания голограммы происходит падение интенсивности до 0%. Эффективная толщина используемой в настоящей полезной модели голограммы соответствует 2500 мкм. Показатель преломления фото-термо-рефрактивного стекла составляет 1.498, а угол сведения пучков при записи голограммного оптического элемента составляет 60 градусов. С учетом выше описанных данных и параметра расфазировки соответствующего падению интенсивности до 0%, спектральная селективность голограммного оптического элемента полученного на фото-термо-рефрактивном стекле составляет 0.07 нм. Это значит, что при смещении длины волны считывающего излучения на рассчитанную предельную величину, происходит смещение прицельного знака на 0.5 угловых минут, что существенно меньше разрешающей способности человеческого глаза и соответствует смещению изображения прицельного знака в плоскости прицеливания удаленной на 100 метров на 1,5 см. Ключевой особенностью данного решения является использование высоко-селективной голограммы. Данная селективность достигается благодаря большой эффективной толщине голограммы. Фото-термо-рефрактивное стекло в отличии от других голографических материалов позволяет получать голограммы с эффективной толщиной превышающей 2000 мкм, что в сумме со значением изменения показателя преломления соответствующим величинам порядка ~1×10 позволяет получать элементы со спектральной селективностью в несколько ангстрем.
Таким образом, при использовании объемной фазовой голограммы, отпадает необходимость в компенсации дрейфа длины волны излучения лазерного диода, вызванного изменением температуры. Замена среды для записи голограммного оптического элемента на фото-термо-рефрактивное стекло позволяет избавиться от защитных элементов на голограмме, тем самым повышая качество восстанавливаемого изображения, так как отсутствует паразитная интерференция между защитными поверхностями.