ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ
HOLOGRAPHIC COLLIMATOR SIGHT

Изобретение относится к голографическим коллиматорным прицелам, формирующим коллимированное изображение прицельной марки с помощью голографического формирователя изображения неподвижной метки, и может быть использовано в ручном спортивном или боевом стрелковом оружии.
Основными требованиями, предъявляемыми к голографическим коллиматорным прицелам (ГКП), являются минимизация угловых аберраций, габаритов и массы прицела, а также компенсация изменения рабочей длины волны монохроматического излучения, вызванного колебаниями температуры прицела и окружающей его среды. Указанные изменения рабочей длины волны приводят к угловому смещению наблюдаемого изображения прицельного знака от оси прицеливания. Исключение эффектов температурного дрейфа длины волны монохроматического излучения в голографическом коллиматорном прицеле возможно за счет использования в оптической схеме ГКП ахроматических оптических элементов и компенсирующих голограммных дифракционных решеток.
Известны голографические коллиматорные прицелы, содержащие источник монохроматического излучения, коллиматор, ахроматизирующую объемно-фазовую отражательную голограммную дифракционную решетку и голографический формирователь изображения неподвижной метки (патент US 6490060, МПК F41G 1/30, дата публикации - 03.12.2002; патент US 7145703, МПК F41G 1/30, дата публикации - 05.12.2006; патент RU 2355989, МПК F41G 1/00, дата публикации - 20.05.2009; патент RU 2560355, МПК F41G 1/00, дата публикации - 17.01.2015; патент RU 2677608, МПК F41G 1/06, дата публикации - 17.01.2019).
Общими недостатками известных топографических коллиматорных прицелов являются большие габариты и масса из-за большого количества оптических элементов, входящих в состав прицела.
Кроме того, недостатком данных ГКП является невозможность полного устранения параллакса голографического формирователя изображения неподвижной метки из-за аберраций объемно-фазовой голограммной дифракционной решетки.
Существенное улучшение массогабаритных характеристик голографических коллиматорных прицелов достигается использованием в их оптических схемах голограммных дифракционных решеток, совмещающих функции коллиматора и компенсатора температурного изменения длины волны монохроматического излучения.
Известен голографический коллиматорный прицел, который содержит в качестве «коллиматора-компенсатора» объемно-фазовую пропускающую внеосевую голограммную линзу, имеющую желатиновые фотослои (Shou Liu, Xiangsu Zhang, Xuechang Ren, Journal of Physics: Conference Series, 415, (2013)012080).
Основным недостатком известного прицела является невозможность полного устранения аберраций объемно-фазовой пропускающей внеосевой голограммной линзы вследствие существенных усадок используемых желатиновых фотослоев, что влияет на угловое положение изображения неподвижной метки.
Прототипом является голографический коллиматорный прицел, содержащий источник монохроматического излучения, рельефно-фазовую фокусирующую отражательную голограммную дифракционную решетку и голографический формирователь изображения неподвижной метки, при этом рельефно-фазовая фокусирующая отражательная голограммная дифракционная решетка выполнена на неплоской подложке - на вогнутой параболической или сферической поверхности (патент RU 135426 U1, МПК G03B 5/00, дата публикации - 10.12.2013).
Данный голографический коллиматорный прицел обладает небольшими массой и габаритами за счет совмещения в одном оптическом элементе - рельефно-фазовой фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решетке - функции коллиматора и компенсатора температурного изменения длины волны монохроматического излучения.
Основным недостатком прототипа является принципиальная невозможность полной компенсации угловых аберраций коллимированного изображения голографического формирователя неподвижной метки в плоскости выходного зрачка, и, в конечном счете, параллакса изображения из-за выполнения рельефно-фазовой фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решетки на неплоской подложке.
Недостатком прототипа является также неравномерное освещение рельефно-фазовой фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решетки при недостаточной угловой расходимости пучка источника монохроматического излучения. 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 голографического коллиматорного прицела, можно обеспечить только при условии полного заполнения выходного зрачка лучами с минимальной расходимостью.
Кроме того, недостатком прототипа является также технологическая сложность и высокая трудоемкость изготовления рельефно-фазовой фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решетки, выполненной на вогнутой параболической поверхности, из-за необходимости использования тонких менискообразных покровных стекол для ее защиты от пыли, царапин и других воздействий.
Техническим результатом изобретения является полная компенсация угловых аберраций коллимированного изображения голографического формирователя неподвижной метки в плоскости выходного зрачка.
Технический результат достигается тем, что в топографическом коллиматорном прицеле, содержащем источник монохроматического излучения, рельефно-фазовую фокусирующую отражательную голограммную дифракционную решетку и голографический формирователь изображения неподвижной метки, согласно настоящему изобретению, рельефно-фазовая фокусирующая отражательная голограммная дифракционная решетка выполнена на плоской подложке, при этом между источником монохроматического излучения и рельефно-фазовой фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решеткой введена осесимметричная расширительная линза.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого голографического коллиматорного прицела (ГКП).
На фиг. 2 и 3 представлены угловые аберрации, соответственно, предлагаемого ГКП и ГКП-прототипа.
Голографический коллиматорный прицел содержит источник 1 монохроматического излучения, осесимметричную расширительную линзу 2, рельефно-фазовую фокусирующую отражательную голограммную дифракционную решетку 3 - (ФОГДР 3) и голографический формирователь 4 изображения неподвижной метки. Осесимметричная расширительная линза 2 расположена между источником 1 монохроматического излучения и ФОГДР 3.
Пример конкретного исполнения.
Источником 1 монохроматического излучения является полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны 650 нм. Осесимметричная расширительная линза 2 выполнена из оптического стекла марки К8 в виде двояковогнутой линзы и предназначена для расширения монохроматического излучения от источника 1 и равномерного освещения ФОГДР 3.
ФОГДР 3 представляет собой рельефно-фазовую голограммную дифракционную решетку с компенсированными аберрациями, выполненную на плоской подложке из оптического стекла марки К8 с диаметром 27 мм и толщиной 2 мм. На плоской рабочей поверхности ФОГДР 3 сформированы голографическим способом штрихи с пространственной частотой 1025 штр/мм в центре ФОГДР, с шагом штриха 0,97 мкм и глубиной порядка 0,25 мкм.
ФОГДР 3 расположена перпендикулярно оптической оси осесимметричной расширительной линзы 2. Рабочий фокальный отрезок ФОГДР 3 равен 47,1 мм. Угол α восстановленного ФОГДР 3 коллимированного пучка на рабочей длины волны 650 нм равен 42°10'.
ФОГДР 3 выполняет одновременно две функции: коллиматора монохроматического излучения и компенсатора изменения длины волны монохроматического излучения, вызванного колебаниями температуры прицела и окружающей его среды. Формирующая оптическая система опорного пучка записи ФОГДР 3 рассчитывалась с учетом компенсации сферической аберрации системы «ФОГДР 3 - Осесимметричная расширительная линза 2» на рабочей длине волны, равной 650 нм.
Голографический формирователь 4 изготовлен с несущей пространственной частотой 1025 штр/мм, равной пространственной частоте в центре ФОГДР 3, и предназначен для ввода в поле зрения стрелка коллимированного изображения неподвижной метки.
Голографический коллиматорный прицел работает следующим образом.
Испускаемый источником излучения 1 пучок лазерных лучей попадает на осесимметричную расширительную линзу 2 и далее падает на ФОГДР 3 («коллиматор-компенсатор»), где дифрагирует на ее периодической структуре. На выходе ФОГДР 3 формируются параллельные лучи на используемой длине волны.
Затем пучок лазерных лучей в качестве восстанавливающего пучка попадает на голографический формирователь 4. Свет, дифрагированный на структуре голографического формирователя 4 и попадающий в глаз стрелка, формирует в пространстве прицеливания видимое мнимое изображение прицельной метки.
Главный луч источника 1 монохроматического излучения ортогонален поверхности ФОГДР 3.
Осесимметричная расширительная линза 2 обеспечивает равномерное освещение ФОГДР 3 при недостаточной угловой расходимости пучка источника 1 монохроматического излучения.
Работу ФОГДР 3 можно представить как совместное действие осевой голограммной линзы (коллиматора) и голограммной дифракционной решетки (компенсатора), выполненных на единой плоской подложке, причем восстановленный осевой голограммной линзой опорный пучок служит восстанавливающим пучком для голограммной дифракционной решетки.
При таком представлении работы ФОГДР 3, выполняющей функцию «компенсирующего коллиматора», ее аберрации полностью зависят от единственной аберрации осевой голограммной линзы - сферической аберрации, которая была устранена при записи ФОГДР 3 формирующей оптической системой опорного пучка записывающего источника излучения.
ФОГДР 3, выполненная на плоской подложке, обеспечивает безаберрационное восстановление коллимированного пучка излучения, падающего под углом α на голографический формирователь 4, и, тем самым, безаберрационное формирование коллимированного изображения неподвижной метки, а также обеспечивает компенсацию температурного изменения длины волны излучения полупроводникового лазера.
На фиг. 2 показаны угловые аберрации предлагаемого ГКП, которые составляют менее чем 0,0001 угловых минут за счет использования рельефно-фазовой ФОГДР 3, выполненной на плоской подложке, что позволяет полностью компенсировать параллакс в пределах выходного зрачка ГКП.
На фиг. 3 показаны угловые аберрации ГКП-прототипа, которые достигают величин порядка 1,75 угловых минут при использовании фокусирующей отражательной голограммной дифракционной решетки, выполненной на вогнутой параболической поверхности, что не позволяет полностью компенсировать параллакс в пределах выходного зрачка ГКП.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря тому, что ФОГДР выполнена на плоской подложке, а осесимметричная расширительная линза расположена между источником монохроматического излучения и ФОГДР, позволяет полностью компенсировать угловые аберрации коллимированного изображения голограммного формирователя неподвижной метки в плоскости выходного зрачка, обеспечить равномерное освещение ФОГДР, уменьшение габаритов и массы прицела, а также упростить технологию и снизить трудоемкость изготовления голографических коллиматорных прицелов.