ПОРТАТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО 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, защитного светового воздействия на человека или животного в случае угрозы его нападения, а также в качестве сигнального средства.

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. На малых расстояниях (3÷5 м) на выходе целеуказателя 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.

Известен 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.

При использовании этого защитно-осветительного устройства формируют широкий лазерный пучок света видимого диапазона, предварительно обнаруживают объект воздействия (преступника или потенциального нарушителя) путем его освещения этим пучком света, преобразуют широкий лазерный пучок в более узкий с безопасной плотностью энергии, наводят его на глаза объекта и, если он не прекращает угрожающего поведения, возбуждают отдельные вспышки яркого света, направленные в глаза нарушителя, с помощью нажатия переключателя лазерного излучателя.

Однако такое устройство для обезвреживания потенциального преступника не может быть достаточно эффективным, поскольку в режиме светового защитного воздействия используется только часть круглого светового пятна, попадающая на глаза нарушителя, а при концентрации световой энергии при уменьшении светового пятна в условиях чрезвычайных ситуаций и плохой освещенности попадание небольшой круглой световой марки непосредственно в глаза объекта маловероятно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является автономное портативное лазерное защитно-осветительное устройство "The Laser Dissuader", разработанное на основе патента США 5685636, F 21 K 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.

При использовании устройства 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 перенастройку устройства, то есть перемещением объектива сформировать световое пятно нужного размера.

Поскольку указанное малогабаритное лазерное устройство при его использовании предполагается держать в руке, попадание узкого лазерного пучка света непосредственно в глаза нападающего крайне затруднительно, особенно в экстремальных ситуациях. Для обеспечения большей вероятности попадания лазерного света и предварительного обнаружения объекта перемещением объектива устройства добиваются 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.

Изобретение решает задачу повышения эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения за счет обеспечения более точного и направленного светового воздействия на объект.

Для этого портативное лазерное защитное устройство, содержащее корпус с размещенными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом, установленным с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, дополнительно снабжено цилиндрическим линзовым элементом, выполненным по меньшей мере из двух цилиндрических линз, одна из которых жестко закреплена в корпусе, а вторая установлена в корпусе на оптической оси объектива с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o, относительно исходного положения, в котором главное сечение второй линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна, а главные сечения первой и второй цилиндрических линз, имеющие одинаковый профиль, перпендикулярны относительно друг друга. Вторая цилиндрическая линза закреплена в оправе, установленной в корпусе с возможностью ее поворота вокруг оси объектива и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения. Передний фокус объектива совмещен с излучающим торцом тела свечения лазерного излучателя. В качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод.

Для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к необратимым изменениям зрения, в устройстве использован лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии светового воздействия.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено заявленное лазерное защитное устройство в разрезе с цилиндрическим линзовым элементом в исходном положении; на фиг.2 - то же, при повороте второй цилиндрической линзы на 90^o; на фиг.3 - лазерный излучатель, выполненный в виде полупроводникового лазерного диода, и углы расходимости лазерного излучения на его выходе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг.4 - формирование светового пятна на выходе объектива.

Лазерное защитное устройство содержит корпус 1 с последовательно установленными в нем блоком питания 2, лазерным излучателем 3 и объективом 4.

Корпус 1 может быть выполнен в виде 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 светодиод.

В корпусе 1 за объективом 4 на его оптической оси установлен цилиндрический линзовый элемент, выполненный по меньшей мере из двух цилиндрических линз 5 и 6, одна из которых, линза 5, жестко закреплена в корпусе устройства, а вторая, линза 6, установлена в корпусе 1 с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o, относительно исходного положения. За исходное положение цилиндрических линз принято такое, в котором их главные сечения, имеющие одинаковый профиль, перпендикулярны друг относительно друга, а главное сечение линзы 6 совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца 7 тела свечения 8 лазерного излучателя 3 и проходящей через центр его выходного окна.

Цилиндрические линзы 5 и 6 конструктивно могут быть выполнены круглой, квадратной или прямоугольной формы. Для обеспечения удобства поворота линзы 6 она может быть закреплена в оправе 9, установленной на корпусе 1 с возможностью ее поворота вокруг оси объектива 4 и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения, например, с помощью четырех шариковых пружинных фиксаторов (не показаны), установленных через 90^o на оправе 9 или на корпусе 1. Для фиксации подпружиненных шариков и соответственно оправы 9 в определенном положении при ее повороте могут служить четыре отверстия в корпусе или в оправе цилиндрической линзы. При фиксации оправы через 90^o шарики попадают в отверстия в корпусе, при этом рукой ощущается легкий щелчок, что может облегчить настройку устройства, например, еще до его включения или в темноте, что позволяет оперативно перевести устройство в защитный режим работы или в режим поиска.

Оправа 9 вместе с установленной в ней линзой 6 может служить также для защиты внутреннего объема корпуса 1 от внешних воздействий.

В варианте исполнения установочные размеры цилиндрической линзы 6 могут совпадать с размерами выходного отверстия корпуса 1, и тогда линза может быть установлена непосредственно в корпусе без оправы.

Цилиндрическая линзовая система конструктивно может быть выполнена в виде съемной насадки на объектив, что позволит использовать устройство в качестве целеуказателя.

Лазерный излучатель 3 в виде полупроводникового лазерного диода (фиг.3) может быть выбран с максимальными углами Θ_⊥ и Θ_″ расходимости лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1 соответственно. При n≥2 на выходе лазерного диода формируется пучок света с эллипсоидальным сечением; при n, близком к 1, сечение лазерного пучка света будет приближаться к круглому.

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

Передний фокус F объектива 4 совмещен с излучающим торцом 7 тела свечения 8 лазерного излучателя 3.

Устройство работает следующим образом.

Как известно, цилиндрическая линза имеет два главных сечения, проходящих через ось линзы, - одно в плоскости, перпендикулярной к образующей ее цилиндрической поверхности, другое - в плоскости, параллельной этой образующей. Если представить тело свечения излучателя в виде тонкой линии, то в плоскости, проходящей через эту линию, главное сечение цилиндрической линзы, в зависимости от ее положения относительно излучателя, будет эквивалентно либо сечению плоскопараллельной пластины, либо сечению сферической линзы. Согласно изобретени за исходное положение цилиндрической линзы 6 принято такое, в котором главное сечение линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца 7 тела свечения 8 лазерного излучателя 3 и проходящей через центр его выходного окна. При этом главное сечение линзы 6 будет эквивалентно сечению сферической линзы, а главные сечения, имеющие одинаковый профиль, перпендикулярны друг относительно друга.

Поскольку передний фокус F объектива 4 совмещен с излучающим торцом 7 тела свечения 8 лазерного излучателя 3, то на выходе объектива 4 формируется коллимированное излучение, и на входную поверхность системы цилиндрических линз попадает параллельный оси пучок лазерного света.

В исходном положении цилиндрической линзы 6 главные сечения первой и второй цилиндрических линз 5 и 6, имеющие одинаковый профиль, ортогональны друг относительно друга. Так как каждое из этих главных сечений цилиндрических линз представляет собой сечение сферической линзы, то обе цилиндрические линзы 5 и 6 работают как эквивалентная сферическая линза с эквивалентным фокусным расстоянием f'_{сфер.экв}, равным фокусному расстоянию f' одной цилиндрической линзы. При этом можно считать, что линзы 5 и 6, из соображений технологичности, выполнены одинаковыми, т.е. с одинаковыми фокусными расстояниями.

Коллимированный пучок лазерного света, пройдя обе цилиндрические линзы 5 и 6, расширяется одинаково в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Световое пятно 10 на объекте при этом может выглядеть в виде круга или широкой световой полосы, как это показано на фиг.1, в зависимости от соотношения максимальных углов расходимости лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и может служить для подсветки и обнаружения объекта.

На фиг.2 показан принцип формирования узкой световой полосы. При повороте цилиндрической линзы 6 на 90^o главные сечения обеих линз, имеющие вид сечения сферической линзы, устанавливаются в одной плоскости, и в этой плоскости цилиндрические линзы 5 и 6 дополняют друг друга и работают как одна цилиндрическая линза с фокусным расстоянием f'_{цил.экв.} ≈ f'/2, где f' - фокусное расстояние одной цилиндрической линзы.

Коллимированный пучок лазерного света, вошедший в систему цилиндрических линз в этой плоскости, выходит расходящимся - при использовании отрицательных цилиндрических линз, или сходящимся на выходе устройства и далее также расходящимся - при использовании положительных цилиндрических линз, как это показано на фиг.2. В этой плоскости формируется длина l световой полосы 10. При этом в ортогональной к ней плоскости совмещаются главные сечения цилиндрических линз 5 и 6, имеющие вид сечения плоскопараллельной пластины, и обе линзы работают как плоскопараллельные пластины, пропуская излучение без изменения. Расходимость излучения на выходе цилиндрических линз 5 и 6 в этой плоскости определяется только дивергенцией коллимированного пучка света на выходе объектива 4. Так как дивергенция коллимированного излучения на выходе объектива 4 достаточно мала, то и расходимость излучения составляет примерно 1^o. В этой плоскости формируется ширина m световой полосы 10. Таким образом, световое пятно 10 на объекте формируется в узкую световую полосу, слабо увеличивающуюся по ширине по мере увеличения расстояния до объекта. Размер длины световой полосы и ее увеличение по мере увеличения расстояния до объекта зависит от фокусных расстояний цилиндрических линз, которые выбираются оптимальными в соответствии с выражением f'= ±2L•D/l, где f' - фокусное расстояние одной цилиндрической линзы, L - дистанция до объекта, D - размер большей оси светового пятна 10 на выходе объектива 4 в плоскости главных сечений цилиндрических линз 5 и 6 с профилем в виде сферических линз, l - длина световой полосы на расстоянии L.

Таким образом, в исходном положении цилиндрической линзы 6 и ее повороте на 180^o на объекте формируется широкое световое пятно 10 в виде круга или широкой и короткой световой полосы, как это показано на фиг.1, а при повороте линзы 6 на 90^o - в виде узкой световой полосы с шириной, определяемой дивергенцией коллимированного излучения на выходе объектива и длиной l, определяемой расходимостью после преломления двумя цилиндрическими линзами 5 и 6. Для обеспечения большей вероятности попадания световой полосы 10 на глаза нарушителя длину полосы l на выбранном расстоянии L до объекта устанавливают не менее 100 мм, что примерно равно максимальному расстоянию между глазами человека. Практически для повышения эффективности работы устройства длина полосы на объекте должна превышать максимальное расстояние между глазами человека, т.е. 80÷100 мм, и быть примерно равной 100÷200 мм, а минимальное расстояние воздействия должно быть примерно равно 1÷2 м.

Для обеспечения временного дезориентирующего воздействия на объект, не приводящего к необратимым физиологическим изменениям глаз человека, необходимо использовать лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см², что соответствует нормам предельно допустимого уровня освещенности глаз, установленным санитарными нормами и правилами эксплуатации лазеров, например СанПиН 5804-91.

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.

При применении портативного лазерного устройства для защиты от возможного нападения в плоскости объекта формируют световое пятно лазерного излучения в виде широкой полосы, с помощью которого обнаруживают местоположение и расположение обезвреживаемого объекта, а затем путем поворота цилиндрической линзы 6 устройства на 90^o преобразуют это излучение в узкую полосу длиной, обеспечивающей наибольшую вероятность попадания на объект, и с безопасной плотностью энергии. Для попадания излучения в глаза обезвреживаемого объекта сканируют объект этой полосой путем возвратно-поступательных перемещений устройства, удерживаемого рукой. Эти перемещения можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта со скоростью, обеспечивающей прямое попадание в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с. При этом пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньше максимального расстояния между глазами человека. Тем самым обеспечивают одновременную засветку обоих глаз нарушителя в течение времени, необходимого и достаточного для появления физиологической реакции на световое воздействие.

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.

Изобретение позволяет повысить эффективность использования лазерного защитно-осветительного устройства и дальность его действия за счет формирования световой полосы, слабо расходящейся по ширине, и концентрации таким образом световой энергии. При этом устройство обеспечивает как большую вероятность попадания излучения на объект, так и большую эффективность его воздействия. Поворот и установка цилиндрической линзы в фиксированные положения позволяет сократить время на настройку устройства и оперативно переводить его из режима предупредительного светового воздействия в режим поиска и освещения объекта, что также повышает эффективность использования устройства, особенно в экстремальных ситуациях.

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 и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси. Устройство снабжено цилиндрическим линзовым элементом, выполненным по меньшей мере из двух цилиндрических линз, одна из которых жестко закреплена в корпусе, а другая установлена с возможностью поворота на угол, кратный 90^o относительно исходного положения, за которое принято такое, в котором главные сечения первой и второй линз, имеющие одинаковый профиль, перпендикулярны друг относительно друга, а главное сечение второй линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна. Передний фокус объектива совмещен с излучающим торцом тела свечения. Обеспечивается повышение эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения за счет более точного и направленного воздействия. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Портативное лазерное защитное устройство, содержащее корпус с размещенными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом, установленным в корпусе с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено цилиндрическим линзовым элементом, установленным в корпусе на оптической оси объектива и выполненным по меньшей мере из двух цилиндрических линз, одна из которых жестко закреплена в корпусе, а другая установлена с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o относительно исходного положения, за которое принято такое, в котором главные сечения первой и второй линз, имеющие одинаковый профиль, перпендикулярны друг относительно друга, а главное сечение второй линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна, в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод, а передний фокус объектива совмещен с излучающим торцем его тела свечения. 2. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая цилиндрическая линза закреплена в оправе, установленной в корпусе с возможностью ее поворота вокруг оси объектива и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения. 3. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта полупроводниковый лазерный диод выбран из условия обеспечения светового потока с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия.