СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ НАПАДЕНИЯ И АВТОНОМНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G02B27/48 F21K7/00 F41B15/00 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в качестве индивидуального защитно-осветительного средства, предназначенного для подсветки близких и удаленных объектов и защитного светового воздействия на человека или животного в случае угрозы его нападения.

Известны лазерные световые устройства, например, лазерные указки и целеуказатели, содержащие лазерный полупроводниковый диод и объектив, формирующий на выходе этих устройств лазерное излучение видимого диапазона в виде узкого пучка света. Например, в промышленно выпускаемом лазерном целеуказателе "Барс" (Россия) в корпусе установлен лазерный модуль, представляющий собой конструктивно жестко скрепленные между собой лазерный диод с выходной мощностью порядка 5 мВт и объектив, формирующий расходящийся пучок излучения с выхода диода в узконаправленный коллимированный лазерный пучок света. В конструкциях лазерных указок и целеуказателей используются, как правило, лазерные диоды или модули с излучением видимого диапазона с длиной волны порядка 520-670 нм. На малых расстояниях (3-5 м) на выходе указок и целеуказателей лазерная марка представляет собой относительно круглое световое пятно, но по мере увеличения расстояния форма светового пятна изменяется и на расстоянии примерно 20-30 м несколько растягивается. Обычно при разработке целеуказателей и указок стремятся обеспечить минимальный диаметр и круглую форму светового пятна на максимальных расстояниях. При случайном прямом попадании лазерного излучения видимого диапазона в глаза человека или животного может наступить временное ослепление, связанное со световой адаптацией зрения. Однако попадание небольшой круглой световой марки непосредственно в глаз, а тем более в оба, маловероятно.

Известно автономное портативное лазерное защитно-осветительное устройство "The Laser Dissuader", разработанное на основе патента США 5685636, F 21 К 7/00, 1997 г., представляющее собой лазерный излучатель, ухудшающий или временно ослабляющий зрение человека путем воздействия яркого света или ослепляющей вспышки, не вызывающей длительной потери зрения. В соответствии с патентом устройство содержит корпус, выполненный в форме, например, карманного фонаря или полицейской дубинки, и последовательно установленные в нем источник питания с выключателем, цепь источника питания, лазерный излучатель и объектив, выполненный с возможностью его перемещения вдоль оси. Подвижкой объектива обеспечивают формирование узконаправленного лазерного пучка света или его расширение с целью освещения и обнаружения с его помощью таких объектов, как человек. Световое пятно на выходе объектива имеет круглую форму. Устройство предназначено для сигнально-предупредительных и защитных действий, предпринимаемых полицейскими, службами охраны и безопасности или военными, а также для подсветки объектов, в том числе людей, в условиях низкой освещенности.

Способ применения устройства заключается в том, что предварительно обнаруживают или визуально определяют объект и наводят лазерный луч примерно на уровень его груди, сопровождая это голосовым предупреждением. Если объект не реагирует должным образом, луч лазерного излучателя на короткое время направляют в глаза объекту. Прямое попадание лазерного излучения в глаза человеку приводит к его дезориентации, вызванной физиологической перестройкой его зрительного восприятия, связанной со световой и темновой адаптацией. Время, необходимое для адаптации, зависит от плотности мощности излучения светового потока на объекте и времени воздействия света на объект. Для дезориентации человека или животного используют узконаправленный пучок света, а для его предварительного обнаружения - расширенный. Для переформирования светового пучка необходимо произвести настройку устройства, то есть перемещением объектива сформировать световое пятно нужного размера.

При ручном удержании малогабаритного лазерного устройства, особенно в экстремальных ситуациях, попадание узкого лазерного пучка света непосредственно в глаза нападающего крайне затруднительно. Для обеспечения большей вероятности попадания лазерного света и предварительного обнаружения объекта, перемещением объектива устройства достигают расширения лазерной марки до поперечного размера примерно 150-300 мм на расстоянии 3-4 м от него. Расширение лазерной марки вызывает снижение уровня освещенности объекта. Круглая форма светового пятна не позволяет эффективно использовать мощность излучения, генерируемого устройством, так как "работает" только узкая часть круглого светового пятна, попадающая на глаза.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются автономный лазерный осветительный модуль и способ его применения в качестве защитного устройства, предназначенного для ослабления или временного ухудшения зрения человека с помощью яркого света или ослепляющей вспышки, по патенту США 6007218, F 21 K 7/00, F 21 V 8/00, 1999 г. Согласно патенту устройство содержит корпус, размещенные в нем блок питания, выключатель и лазерный осветительный модуль, включающий лазерный излучатель и коллимирующий объектив, установленный с возможностью его перемещения относительно лазера. С целью энергетического и геометрического выравнивания формы и освещенности лазерной марки между полупроводниковым лазерным диодом (излучателем) и объективом установлен световолоконный жгут, свитый петлями. При этом на выходе устройства формируется излучение в виде пучка света круглого сечения.

Способ применения этого защитно-осветительного устройства включает формирование широкого лазерного пучка света видимого диапазона, предварительное обнаружение объекта воздействия (преступника или потенциального нарушителя) путем его освещения этим пучком света, преобразование широкого лазерного пучка в более узкий с безопасной плотностью энергии, наведение его на глаза объекта и, если он не прекращает угрожающего поведения, возбуждение отдельных вспышек яркого света, направленных в глаза нарушителя, с помощью нажатия переключателя лазерного излучателя.

Однако этот способ обезвреживания потенциального преступника, как и предыдущий, не может быть достаточно эффективным, поскольку в условиях чрезвычайных ситуаций и плохой освещенности перенастройка устройства приводит к потере времени и снижению безопасности защищающегося, а в режиме светового защитного воздействия используется только часть круглого светового пятна, попадающая на глаза нарушителя.

Изобретение решает задачу повышения эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения с помощью автономного лазерного защитно-осветительного устройства за счет обеспечения одновременного освещения объекта для его обнаружения и защитного светового воздействия на него.

Для этого согласно способу формируют лазерный пучок света видимого диапазона с сечением в виде эллипса или полосы с соотношением большей и меньшей осей n: 1, соответственно, где n≥2, а обнаружение объекта и наведение лазерного излучения на его глаза осуществляют одновременно путем сканирования объекта возвратно-поступательными перемещениями устройства, которые можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта. При этом пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньшей максимального расстояния между глазами человека, а возвратно-поступательные перемещения устройства осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание светового излучения в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с.

Для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к полной потере зрения, используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия.

В автономном лазерном защитном устройстве для осуществления способа, содержащем корпус, установленные в нем блок питания, лазерный излучатель и объектив, установленный в корпусе с возможностью его продольного перемещения, передний апертурный угол σ_A А объектива выполнен большим или равным максимальному углу Θ_⊥ расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна диода, а передний фокус объектива установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом тела свечения лазерного излучателя. При этом в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод, максимальные углы Θ_⊥ и расходимости лазерного излучения которого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отвечают соотношению n:1, соответственно, где n≥2.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано в разрезе устройство для осуществления способа и принцип его работы, на фиг.2 - лазерный излучатель, выполненный в виде полупроводникового лазерного диода, и углы расходимости лазерного излучения на его выходе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Способ осуществляют следующим образом.

В случае возникновения опасной ситуации с помощью автономного лазерного устройства формируют лазерный пучок света видимого диапазона с сечением в виде эллипса или полосы с соотношением горизонтальной и вертикальной осей n: 1, соответственно, где n≥2. Оптимальным можно считать соотношение 3:1 или 4: 1, однако современные лазерные полупроводниковые диоды, выпускаемые зарубежными ведущими фирмами-производителями, такими как Hitachi, Sanyo, Sony (Япония), Polaroid Corporation (США), и российскими - НПО "ПОЛЮС" (г. Москва), АО "Восход" (г. Калуга) и др., имеют максимальную расходимость лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр выходного окна диода, приблизительно находящуюся в соотношении 3:1.

После формирования вытянутой в виде полосы или эллипса марки лазерного излучения сканируют этим световым пятном подозрительный объект путем возвратно-поступательных движений руки с устройством, одновременно обнаруживая местонахождение и расположение объекта и наводя лазерное излучение на его глаза. Возвратно-поступательные перемещения устройства можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта, причем большую ось светового сечения желательно установить перпендикулярно направлению перемещения устройства.

При этом пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньшей усредненного максимального расстояния между глазами человека, а возвратно-поступательные перемещения устройства осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание светового излучения в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с. Тем самым обеспечивают одновременную засветку обоих глаз нарушителя в течение времени, необходимого и достаточного для появления физиологической реакции на световое воздействие. При этом длительность экспозиции, т.е. прямого попадания светового излучения в глаза объекта, имеет существенное значение. Как показывают исследования, при времени однократного воздействия света, превышающем 0,25 с, глаз человека самопроизвольно закрывается, и дальнейшее его облучение практически бесполезно. При времени светового воздействия менее 0,1 с рецепторы глаза не успевают полностью отреагировать на изменение его освещенности, и эффект "временного ослепления" достигнут не будет.

С другой стороны, для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к полной потере зрения, используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см², что соответствует нормам предельно допустимого уровня освещенности глаз, установленными санитарными нормами и правилами эксплуатации лазеров.

При этом принимают, что для эффективной реализации заявленного способа защиты от нападения минимальная дистанция относительно безопасного (временного) воздействия лазерного излучения на глаза человека составляет примерно 1-2 м, а максимально гарантированная дистанция защитного действия - около 300 м. При дальнейшем увеличении расстояния до объекта световая полоса увеличивается в размерах, и освещенность объекта существенно снижается.

Лазерное устройство для осуществления этого способа (фиг.1) содержит корпус 1 с последовательно установленными в нем блоком питания 2, лазерным излучателем 3 и объективом 4.

Корпус 1 может быть выполнен в виде карманного фонаря или в любой другой удобной форме, из легкого металла или пластмассы.

В качестве лазерного излучателя 3 в устройстве может быть использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного или импульсного действия, либо малогабаритный лазерный модуль со щелевой диафрагмой на выходе.

Лазерный излучатель 3 в виде полупроводникового лазерного диода (фиг.2) выбран с максимальной расходимостью лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях Θ_⊥ и , находящейся в соотношении n:1, где n больше или равно двум. При этом на выходе лазерного диода формируется пучок света с эллипсоидальным сечением 5.

Объектив 4 выполнен таким образом, что его передний апертурный угол σ_A А больше или равен максимальному углу Θ_⊥ расходимости излучения на выходе лазерного излучателя 3 в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца 6 его тела свечения 7 и проходящей через центр выходного окна лазерного диода - излучателя 3. Такое выполнение объектива 4 обеспечивает полный захват его излучения. При этом в плоскости, перпендикулярной к плоскости наибольшей расходимости излучения и проходящей через оптическую ось системы "лазерный диод-объектив", угол расходимости лазерного излучения примерно в три раза меньше, чем , и на входе объектива 4 лазерное излучение формируется в виде световой полосы со сторонами, длины которых находятся также в соотношении примерно 1:3.

Объектив 4 в вариантах исполнения может быть выполнен многокомпонентным, в виде линзы Френеля или в виде асферической линзы.

Передний фокус F объектива 4 установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3 (фиг.2) на расстоянии х, определяемом из выражения

где l - длина световой полосы на объекте, м;
f' - фокусное расстояние объектива, мм;
L - дистанция безопасного защитного светового воздействия на глаза объекта, м;
Θ_⊥ - максимальный угол расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна диода.

Действительно, при формировании световой полосы длиной l на расстоянии L от устройства расходимость лазерного излучения на выходе устройства в плоскости максимальной расходимости лазерного излучения на выходе диода можно определить следующим образом:

где D_cв.об - размер светового пятна на выходе объектива в плоскости максимальной расходимости излучения на выходе диода, мм, а угловое увеличение W в этой плоскости определится как

Известно, что угловое увеличение объектива связано с его фокусным расстоянием f' и предметным расстоянием ±х следующим образом:
W=±x/f', (4)
из чего следует, что

где значения f', D_cв.об. и известны.

Если учесть, что D_cв.об.<<L, формулу для определения х можно упростить и записать следующим образом:
.

Практически для повышения эффективности работы устройства величина l должна превышать максимальное расстояние между глазами человека, т.е. 80-100 мм, и быть примерно равной 100-200 мм, а минимальная дистанция L относительно безопасного (временного) воздействия лазерного излучения на глаза человека - примерно равной 1-2 м. Естественно, что на расстояниях, больших L, энергетическая плотность световой полосы будет уменьшаться, а безопасность воздействия излучения возрастать.

Для защиты внутреннего объема корпуса от внешних воздействий на выходе объектива 4 может быть установлено защитное стекло 8 или съемный нейтральный светофильтр.

Устройство работает следующим образом.

После прохождения объектива 4 на его выходе формируется расходящийся менее чем на выходе излучателя пучок света в виде плоского конуса с вершиной, обращенной на объектив, и углами при вершине в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1 при n≥2. Таким образом, световое пятно на объекте формируется в виде световой полосы 9, длина и ширина которой находятся в том же соотношении n:1. Длина l и ширина m световой полосы 9 на объекте устанавливаются подвижкой объектива 4 предварительно при настройке устройства на определенную рабочую дистанцию L воздействия устройства перед его использованием.

Конструктивно устройство может быть оснащено внешним кольцом фокусировки, позволяющим оперативно формировать световую полосу с длиной l на различных дистанциях L до объекта прямо на месте, а также возможна регулировка положения объектива при заводской сборке.

Для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к полной потере зрения, использован лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте (освещенностью) не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия (от 1 до 300 м).

Изобретение позволяет одновременно повысить эффективность и безопасность использования лазерного защитно-осветительного устройства за счет формирования светового пятна в виде вытянутой световой полосы, обеспечения максимально допустимой энергетической плотности световой энергии в ней, а также обеспечения одновременного освещения объекта для его обнаружения и защитного светового воздействия на него.

Защитное устройство может быть использовано в качестве индивидуального защитно-осветительного средства, предназначенного для подсветки объектов и защитного светового воздействия при угрозе нападения. Устройство содержит корпус, размещенные в нем блок питания, полупроводниковый лазерный диод или лазерный модуль со щелевой диафрагмой и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси. Передний апертурный угол объектива больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца и проходящей через центр выходного окна излучателя, а передний фокус объектива установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом на расстоянии, определяемом из выражения, приведенного в формуле изобретения. Лазерный пучок формируют эллипсоидального сечения или в виде полосы с соотношением большей и меньшей осей n:1 при n≥2. Обнаружение объекта и наведение лазерного излучения на его глаза осуществляют одновременно путем сканирования объекта возвратно-поступательными перемещениями устройства. Обеспечивается повышение эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты от нападения с помощью автономного лазерного устройства, включающий формирование лазерного пучка света видимого диапазона, предварительное обнаружение обезвреживаемого объекта и наведение указанного пучка света на глаза объекта, отличающийся тем, что лазерный пучок света формируют эллипсоидального сечения или в виде полосы с соотношением большей и меньшей осей n: 1 при n≥2, обнаружение объекта и наведение лазерного излучения на его глаза осуществляют одновременно путем сканирования объекта возвратно-поступательными перемещениями устройства. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании лазерного излучения устанавливают длину большей оси его сечения не меньшей усредненного максимального расстояния между глазами человека. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возвратно-поступательные перемещения устройства осуществляют в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возвратно-поступательные перемещения осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание излучения в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия. 6. Автономное лазерное защитное устройство, содержащее корпус, размещенные в нем блок питания, лазерный излучатель и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, отличающееся тем, что в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод или лазерный модуль со щелевой диафрагмой, объектив выполнен таким образом, что его передний апертурный угол σ_A больше или равен максимальному углу θ_⊥ расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна излучателя, а передний фокус объектива установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом тела свечения лазерного излучателя на расстоянии, определяемом из выражения

где l - длина световой полосы на объекте, м;
f - фокусное расстояние объектива, мм;
L - дистанция безопасного защитного светового воздействия на объект, м;
θ_⊥ - максимальный угол расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр его выходного окна. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что лазерный излучатель выбран с максимальными углами θ_⊥ и расходимости лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n: 1 соответственно, где n≥2. 8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта полупроводниковый лазерный излучатель выбран из условия обеспечения светового потока с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия устройства.