ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ПРИЦЕЛ Российский патент 2008 года по МПК F41G1/00 

Область техники

Изобретение относится к коллиматорным оптическим прицелам для легкого стрелкового оружия, предназначенным для формирования прицельного знака (марки) в бесконечности с помощью голограммного оптического элемента (ГОЭ).

Уровень техники

Обычные оптические коллиматорные прицелы состоят из телескопической оптической системы (телескопической трубы), в фокальной плоскости объектива которой установлена прицельная марка, изображение которой в свою очередь рассматривается глазом стрелка через окуляр. В процессе прицеливания глаз стрелка вплотную устанавливается к окуляру телескопической трубы и изображение цели рассматривается через трубу, имеющую соответствующее увеличение. Обычно увеличение коллиматорного прицела такое, что поле зрения, в котором наблюдаются цель и изображение прицельного знака-метки, мало (несколько градусов). Это приводит к тому, что значительное влияние на процесс прицеливания оказывают вибрации рук и оружия, воздушные колебания и др. Это в свою очередь приводит к тому, что положение стрелка в процессе прицеливания должно быть строго статическое и невозможно обеспечить прицеливание в «динамике».

В этом смысле голографический коллиматорный прицел обеспечивает процесс прицеливания в «динамике», т.к. глаз стрелка не надо устанавливать вплотную к прицелу, а можно смотреть через него на любом расстоянии, как в «окно», и видеть прицельный знак в бесконечности, что для динамической стрельбы очень важно. Таким образом реализуется значительное преимущество голографического коллиматорного прицела - легкость процесса прицеливания.

Были предложены различные варианты решения этой проблемы.

В одном из первых вариантов был предложен прицел, позволяющий определять дальность до цели и осуществлять наводку оружия и который можно использовать в качестве дальномера (Juris Upatnieks. Ann Arbor, Mich. Holographic light line sight, Patent USA №4012150 of Mar.15, 1977 [1]). В этом устройстве используется голограмма, с которой при подсветке лазерным излучением восстанавливается трехмерное изображение в виде световой линии, расположенной вдоль оси визирования и имеющей разметку по дальности. Вся конструкция расположена на массивном основании и наведение на цель осуществляется с помощью вращающихся лимбов и механических приводов. Основной недостаток предложенного прицела заключается в том, что для определения дальности до цели необходимо перемещать голову поперек оптической оси для нахождения точки пересечения формируемой голограммой шкалы дальности и плоскости цели, где отсутствует параллакс (смещение линии относительно цели). Еще одним недостатком предложенной схемы являются габариты и масса прицела.

В патенте (Салахутдинов В.К. Голографический прицел. Патент Российской Федерации №2034321 от 30.04.95 г. [2]) описано устройство голографического прицела, содержащего голограмму, при подсветке которой лазерным излучением в бесконечности восстанавливается прицельная марка. Отличительная особенность данного прицела состоит в том, что голограмма является отражательной. Это же является и главным недостатком данной системы, поскольку подсветка голограммы осуществляется под малым углом (менее 10°) в направлении цели, в результате чего часть излучения проходит через голограмму и демаскирует стрелка.

В патенте (Anthony M. Tai, Northville; Juris Upatnieks; Eric J. Sieczka, both of Ann Arbor, all of Mich. Compact holographic sight, Patent USA №5483362 of Jan.09, 1996 [3]) представлена схема голографического прицела, в которой все элементы установлены в отдельных креплениях на общем основании. Схема содержит лазерный источник, излучение от которого после прохождения через линзу и ахроматизатор освещает голограмму, с которой восстанавливается прицельная метка. Линза формирует параллельный пучок, а ахроматизатор обеспечивает постоянство положения прицельного знака при изменении длины волны вследствие температурных воздействий. Также в прицеле предусмотрены регулировка яркости и юстировка для выверки положения прицельного знака. Недостатком данной схемы является то, что все компоненты распложены на одной прямой, вследствие чего существенно увеличивается продольный габарит прицела и его невозможно использовать на пистолете, а большое количество юстировок усложняет конструкцию и процесс юстировки.

В (Eric James Sieczka, Ann Arbor; Anthony Mong-On Tai, Northville; Allen Corlies Ward, Ann Arbor, all of Mich. Detachable hologram assembly and windage/elevation adjuster for a compact holographic sight, Patent USA №5815936 of Apr.14, 1997 [4]) рассмотрена схема крепления голограммы в голографических прицелах, позволяющая за счет пружинно-винтовых механизмов осуществлять юстировку и выверку оси визирования. Недостатком предлагаемого крепления является усложнение конструкции всего прицела, увеличение массы и снижение надежности.

Схема прицела, представленная в (Шойдин С.А., Кондаков В.Ю. Прицел голографический. Патент Российской Федерации №2210713 от 20.08.2003 г. [5]), отличается от схемы, рассмотренной в [3], тем, что после источника излучения установлена фокусирующая линза и микродиафрагма. Микродиафрагма обеспечивает высокое разрешение изображения прицельной метки при использовании источника излучения с большими угловыми размерами светящегося тела. Линза для снижения потерь фокусирует излучение на точечной диафрагме. При размерах тела излучения существующих лазерных диодов, которые применяются в системах подобного типа, нет необходимости в таком усложнении конструкции, а качество восстанавливаемого без микродиафрагмы изображения прицельного знака позволяет отчетливо наблюдать как сам прицельный знак, так и цель на фоне местности. Поэтому в качестве основного недостатка следует отметить сложность конструкции, большие габариты и вес прицела.

Наиболее близким из аналогов к предлагаемому голографическому коллиматорному прицелу является голографический прицел, описанный в патенте (Anthony M. Tai, Northville, MI (US); Eric J. Sieczka, Saline, MI (US). Lightweight holographic sight, Patent USA №6,490,060 of Dec.03, 2002. [6]) и принятый в качестве прототипа.

В этом патенте оптическая схема голографического коллиматорного прицела включает в себя последовательно установленные вдоль оптической оси лазерный диод, поворотное плоское зеркало, коллимирующее зеркало, голограммную отражающую дифракционную решетку и голограммный оптический элемент (ГОЭ).

При этом коллимирующее зеркало выполнено в виде оптической детали 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, что позволяет формировать коллимированный пучок лазерного излучения с требуемой степенью расходимости.

Голограммная отражающая дифракционная решетка предназначена для компенсации изменения длины волны излучения лазерного диода, вызванной изменением температуры прицела и окружающей его среды.

ГОЭ предназначен для формирования прицельного знака в бесконечности путем восстановления соответствующей волны света при его освещении коллимированным лазерным излучением. В свою очередь ГОЭ устанавливается между двумя плоскими оптическими стеклами, служащими для защиты ГОЭ от пыли, царапин и др. воздействий.

Недостатками указанного голографического коллиматорного прицела являются:

1) изготовление коллимирующего зеркала в виде одной оптической детали из стекла с двумя сферическими поверхностями не позволяет минимизировать сферическую аберрацию для обеспечения требуемой расходимости лазерного излучения при освещении ГОЭ. Это приводит к дополнительным аберрациям голограммы и увеличению параллакса прицельного знака при ее восстановлении;

2) введение в оптическую схему прицела голограммной отражающей дифракционной решетки значительно усложняет всю оптическую схему при сборке-юстировке, приводит к дополнительному хроматизму излучения, попадающего на ГОЭ, и увеличивает стоимость всего прицела.

3) установка ГОЭ между двумя стеклянными пластинами приводит к дополнительным переотражениям в воздушных промежутках между ГОЭ и пластинами и к появлению паразитной интерференции, следовательно, к искажениям при восстановлении прицельного знака в бесконечности. В первую очередь такие эффекты проявляют себя в промежутке между подложкой голограммы (ГОЭ) и защитным стеклом.

Сущность изобретения.

Задачей настоящего изобретения являются:

- уменьшение длины оптической оси и габаритов всего прицела;

- повышение качества восстановленного изображения прицельного знака и уменьшение величины параллакса;

- построение оптической схемы голографического прицела с минимальным количеством оптических деталей и снижение стоимости оптической системы прицела.

Технический результат достигается за счет:

- построения коллимирующего объектива в виде двухлинзового склеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с разными показателями преломления света (комбинация «крон-флинт») и позволяющего в большей степени уменьшить сферическую аберрацию по сравнению с прототипом, что позволяет добиться меньшей расходимости пучка лазерного излучения, уменьшить искажения волны света, восстановленной с голограммы (ГОЭ), и уменьшить параллакс изображения сформированного прицельного знака;

- устранения из оптической схемы голограммной отражающей дифракционной решетки;

- устранения защитного стекла со стороны подложки голограммы (ГОЭ).

Сущность изобретения заключается в том, что голографический коллиматорный прицел содержит лазерный диод, зеркало, топографический оптический элемент и коллимирующий объектив, выполненный в виде двусклеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с разными показателями преломления света.

Голографический оптический элемент может содержать защитное стекло, расположенное со стороны объектива.

Описание изобретения и прилагаемых фигур

Основные принципы, используемые для решения проблем, рассматриваемых в настоящем изобретении, иллюстрируются прилагаемыми фигурами.

На фиг.1 представлена оптическая схема голографического коллиматорного прицела в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг.2 представлена схема оптического стенда для контроля параллакса изображения прицельного знака, восстановленного с голограммы.

На фиг.3 приведен сборочный чертеж голографического коллиматорного прицела в соответствии с заявляемым изобретением.

Ниже приведено подробное описание предлагаемых решений поставленных проблем и принципов функционирования представленных на фигурах устройств.

В соответствии с предлагаемым изобретением прицел работает следующим образом.

Прицел состоит из лазерного диода 1, зеркала 2, коллимирующего объектива 3, защитного стекла 4 и голограммы 5, с которой восстанавливается изображение прицельного знака.

Включается прицел (при нажатии на спусковой крючок оружия или независимо). Пучок лазерных лучей от лазерного диода 1 отражается от зеркала 2, коллимируется объективом 3, который выполнен в виде двухлинзового склеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с разными показателями (коэффициентами) преломления света n₁=1,51, n₂=1,53 и позволяющего уменьшить сферическую аберрацию, что в свою очередь позволяет добиться уменьшения расходимости пучка лазерного излучения, уменьшения искажения волны света, восстановленной с голограммы (ГОЭ), и уменьшения параллакса изображения сформированного прицельного знака. Далее пучок лучей падает на голограмму 5, закрытую защитным стеклом 4. С голограммы восстанавливается изображение прицельного знака.

Для точного прицеливания важно, чтобы при движении головы восстановленное изображение прицельного знака не смещалось относительно цели, поэтому необходимо контролировать величину параллакса.

Стенд для контроля параллакса представлен на фиг.2.

Для контроля параллакса использовался коллиматор 6, выставленный на ту дистанцию, на которую рассчитана голограмма прицела. Угол между нормалью к голограмме и осью визирования и угол между осью системы подсветки и осью визирования определяются схемой получения голограммы с учетом масштабных преобразований при использовании на этапе получения голограммы и этапе восстановления изображения источников с разными длинами волн.

Система подсветки голограммы состоит из лазера 1 с длиной волны, соответствующей длине волны источника, используемого в прицеле, микрообъектива 11, точечной диафрагмы 12 и коллимирующего объектива 3. Расходимость излучения после коллимирующего объектива выставляется при помощи смещения лазера таким образом, чтобы изображение прицельного знака восстанавливалось с голограммы 5 на расчетной дистанции. При этом на сетке коллиматора строится изображение прицельного знака. Данное изображение является интегральным (то есть строится всеми точками голограммы), поэтому по данному изображению можно качественно оценить искажения прицельного знака, связанные с присутствием параллакса и аберрациями голограммы. Количественно параллакс можно проконтролировать, используя диафрагму, установленную в плоскости голограммы 13. Диафрагма имеет ⊘3 мм, что идентично усредненному размеру зрачка глаза. При этом изображение прицельной метки в плоскости сетки коллиматора становится резким, так как при рассмотрении метки через столь малую апертуру практически исчезают искажения прицельной метки. При сканировании диафрагмой вдоль голограммы наблюдается смещение изображения прицельной метки в плоскости сетки коллиматора. Если в качестве окуляра коллиматора использовать окуляр-микрометр, то можно снять отсчеты по его шкале и численно оценить параллакс. Перемещая диафрагму в плоскости голограммы горизонтально и вертикально, можно оценить параллакс прицельной метки в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно.

Пример конструкции компактного голографического коллиматорного прицела состоит из двух отдельных блоков: модуля осветителя и модуля крепления голограммы, соединенных между собой кронштейном 10 (фиг.3). Модуль осветителя включает в себя закрепленные в едином корпусе 6 и установленные вдоль оптической оси одномодовый полупроводниковый лазерный диод 1, плоское зеркало 2, изламывающее оптическую ось для минимизации габаритов коллимирующего двухлинзового склеенного объектива 3, формирующего параллельный пучок требуемого диаметра. Крепление голограммы состоит из голограммы 5, защитного стекла 4, основания 7, пружины 8 и рамки 9. Голограмма 5 с защитным стеклом 4 закреплены в рамке 9 и установлены на основании 7, с помощью которого осуществляется монтаж блока к оружию. Пружина 8 осуществляет перевод рамки с голограммой 5 и защитным стеклом 4 из походного положения в рабочее.

Для достижения поставленных целей применялись следующие технические решения и были получены следующие результаты:

1) Для уменьшения длины оптической оси и габаритов всего прицела был разработан специальный короткофокусный коллимирующий объектив (f'=50 мм и световой диаметр D_св=12 мм) в виде двухлинзового склеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с разными показателями преломления стекла (комбинация «крон-флинт»), а также применено зеркало (световой диаметр D_св=10 мм) для излома оптической оси. Это позволило изготовить топографический коллиматорный прицел размерами 22×45×60(42) мм (60 мм - в разобранном «боевом» состоянии, 42 мм - в сложенном «походном» состоянии);

2) Для повышения качества восстановленного изображения прицельного знака и уменьшения величины параллакса по сравнению с прототипом из голографического коллиматорного прицела было удалено защитное стекло со стороны подложки голограммы (ГОЭ), был использован рассчитанный коллимирующий объектив в виде двухлинзового склеенного объектива, который позволил уменьшить волновую аберрацию (до λ/100) по сравнению с прототипом, что позволило уменьшить искажения волны света, восстановленной с голограммы (ГОЭ), а также была использована симметричная безлинзовая схема Фурье для получения ГОЭ, что позволило уменьшить параллакс изображения сформированного прицельного знака до 1';

3) Для построения оптической схемы голографического прицела с минимальным количеством оптических деталей и снижения стоимости оптической системы прицела было удалено защитное стекло со стороны подложки голограммы (ГОЭ), устранена из оптической схемы голограммная отражающая дифракционная решетка, что позволило снизить себестоимость голографического коллиматорного прицела на 10%.

Изобретение относится к коллиматорным оптическим прицелам для легкого стрелкового оружия и предназначено для формирования прицельного знака (марки) в бесконечности с помощью голограммного оптического элемента. Прицел содержит лазерный диод, зеркало, голографический оптический элемент и коллимирующий объектив. Коллимирующий объектив выполнен в виде двухлинзового склеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с разными показателями преломления света. Показатель преломления одной детали равен 1,51, а другой - 1,53. Прицел снабжен также защитным стеклом со стороны объектива. Изобретение обеспечивает уменьшение длины оптической оси и габаритов всего прицела, повышение качества восстановленного изображения прицельного знака и уменьшение величины параллакса, построение оптической схемы голографического прицела с минимальным количеством оптических деталей и снижение стоимости оптической системы прицела. 3 ил.

Голографический коллиматорный прицел, содержащий лазерный диод, коллимирующий оптический элемент, голографический оптический элемент, отличающийся тем, что коллимирующий оптический элемент выполнен в виде двухлинзового склеенного объектива, состоящего из двух оптических деталей с показателем преломления света у одной из них, равным 1,51, а у другой - 1,53, а со стороны объектива прицела расположено защитное стекло.