Голографический коллиматорный прицел для стрелкового оружия Российский патент 2021 года по МПК F41G1/00 G02B5/32 

Изобретение относится к топографическим коллиматорным прицелам и может быть использовано в стрелковом оружии.

Известен голографический коллиматорный прицел по патенту РФ №135426, G03B 5/00 от 07.05.2013 г., содержащий источник монохроматического излучения с формирующей оптической системой, фокусирующую дифракционную решетку, выполненную на вогнутой параболической или сферической поверхности, и голографический формирователь неподвижной метки. При этом источник монохроматического излучения с формирующей оптической системой и фокусирующая отражательная дифракционная решетка расположены так, что их оптические оси совпадают, а плоскость изображения оптической системы источника излучения совпадает с фокальной плоскостью поверхности, на которую нанесена дифракционная решетка, выполняющая роль коллиматора оптического излучения; пространственная частота компенсирующей решетки (ν_p) связана с несущей пространственной частотой голограммного оптического элемента (ν_г) соотношением: ν_P=ν_Г(cos[(ξ-ε)+tgαsin(ξ-ε))], где ξ и ε - углы наклона дифракционной решетки и голограммного оптического элемента соответственно, α - угол падения пучка на голограммный оптический элемент, что позволяет полностью компенсировать изменение длины волны источника монохроматического излучения, вызванное изменением температуры и давления окружающей среды.

Указанный прицел имеет следующие недостатки. Изготовление коллиматорного зеркала с дифракционной решеткой на его поверхности, имеющей сферическую или параболическую форму, представляет определенную технологическую сложность. Осевое расположение фокусирующей дифракционной решетки и источника излучения приводит к тому, что в плоскости дифракции происходит уменьшение размера светового пятна излучения, распространяющегося в направлении голографического формирователя метки (голограммы), что приводит к необходимости либо увеличения габаритов прицела за счет увеличения фокусного расстояния коллиматорного зеркала, либо применения дополнительных оптических элементов, увеличивающих угловую расходимость излучателя - лазерного диода.

Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является голографический коллиматорный прицел, описанный в патенте US №6490060 «Lightweight holographic sight».

Прицел, рассматриваемый в качестве прототипа, содержит лазерный диод, коллиматорный объектив, представляющий собой внеосевое параболическое зеркало или зеркало Манжена, отражательную дифракционную решетку, компенсирующую температурный дрейф длины волны лазерного диода, прозрачную внеосевую голограмму прицельного знака. Причем лазерный диод и коллиматорный объектив расположены по разные стороны линии визирования прицела.

Заявленный голографический коллиматорный прицел совпадает с прототипом по наличию и функциональному назначению следующих элементов: лазерного диода, коллиматорного объектива, дифракционной решетки, внеосевой пропускающей голограммы прицельного знака.

Недостатком прототипа является сложность процессов сборки, юстировки прицела, а также изготовления его отдельных деталей. Коллиматорный объектив представляет собой либо внеосевое параболическое зеркало, либо зеркало Манжена. Процесс изготовления параболического зеркала - трудоемкий процесс, а при применении зеркала Манжена необходимо устранить рефлекс от первой (прозрачной) поверхности зеркала. Расположение лазерного диода, коллиматорного объектива и дифракционной решетки на удаленном расстоянии друг от друга, обусловленном конструктивной необходимостью, затрудняет процесс сборки и юстировки этих деталей.

Техническая проблема заключается в создании голографического коллиматорного прицела с получением следующего технического результата: упрощение изготовления прицела, включая процессы сборки и юстировки, а также повышении технологичности прицела.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Голографический коллиматорный прицел, как и прототип, содержит лазерный диод, в поле излучения которого последовательно установлены внеосевой зеркально-линзовой коллиматорный объектив, состоящий из оптически прозрачной части и зеркальной поверхности, дифракционная решетка, компенсирующая температурный дрейф длины волны лазерного диода, и внеосевая пропускающая голограмма прицельного знака.

В отличие от прототипа, по крайней мере, одна боковая поверхность коллиматорного объектива, определяемая толщиной оптически прозрачной части, выполнена плоской, на поверхности которой расположена апертурная диафрагма и выходной зрачок объектива, а выход параллельных лучей через апертурную диафрагму обеспечивается расположением внеосевых оптических элементов коллиматорного объектива, при этом коллиматорный зеркально-линзовый объектив и дифракционная решетка расположены по одну сторону линии визирования прицела.

Наиболее предпочтительным вариантом исполнения изобретения является расположение дифракционной решетки непосредственно на плоской поверхности объектива. При этом дифракционная решетка может быть, как отражающей, так и пропускающей. Пропускающая решетка располагается в плоскости апертурной диафрагмы, а отражающая решетка располагается на плоской поверхности объектива параллельной плоскости апертурной диафрагмы. В частности, возможны варианты, когда дифракционная решетка изготавливается методом ионного травления плоской поверхности объектива. Также возможен вариант, когда дифракционная решетка изготовлена на толстослойной прозрачной фоточувствительной эмульсии и расположена с учетом выполнения условия Брэгга.

Возможен вариант, когда объектив выполнен склеенным из двух линз, первая из которых по ходу луча - двояковыпуклая линза, а вторая отрицательная линза.

Кроме того, с целью обеспечения энергоэффективности прицела, отражающая часть первой поверхности объектива, направляющая излучение непосредственно в выходной зрачок, может быть выполнена с зеркальным покрытием.

Заявляемый голографический коллиматорный прицел проиллюстрирован примером конкретного исполнения, приведенным на чертеже, на котором представлен вариант оптической схемы прицела с пропускающей дифракционной решеткой.

Прицел содержит:

1 - лазерный диод;

2 - внеосевую положительную линзу;

3 - внеосевую отрицательную линзу с плоской боковой поверхностью;

4 - зеркальную поверхность;

5 - участок с зеркальным покрытием;

6 - пропускающую дифракционную решетку, компенсирующую температурный дрейф длины волны лазерного диода;

7 - пропускающую голограмму прицельного знака.

Рассмотрим ход лучей в оптической схеме. Излучение от лазерного диода 1 проходит прозрачные участки линз 2,3, отражается от зеркальной поверхности 4 и в обратном ходе лучей, пройдя линзы 3,2, отражается участком с зеркальным покрытием 5 и далее направляется на пропускающую дифракционную решетку 6, компенсирующую температурный дрейф длины волны лазерного диода, предварительно еще раз пройдя линзы 2,3. Наклон зеркальной поверхности 4 и внеосевое расположение линз 2,3 обеспечивают выход параллельных лучей через плоский участок боковой поверхности объектива, совмещенный с апертурной диафрагмой.

В контакте с плоской поверхностью коллиматорного объектива в плоскости апертурной диафрагмы располагается дифракционная решетка 6, компенсирующая температурный дрейф длины волны лазерного диода. Параллельные лучи, пройдя пропускающую дифракционную решетку 6, компенсирующую температурный дрейф длины волны лазерного диода, попадают на пропускающую голограмму 7 прицельного знака, которая восстанавливает изображение прицельного знака и совмещает его с наблюдаемой целью.

Расчет аберраций оптической системы прицела показал, что с сохранением допустимых значений аберраций, оптические элементы в предложенной схеме голографического коллиматорного прицела могут иметь сферические поверхности с отсутствием фоновой засветки изображения прицельного знака в результате рефлекса от оптических поверхностей коллиматорного объектива.

Для подтверждения положений заявленного решения был проведен расчет оптической схемы голографического коллиматорного прицела с пропускающей дифракционной решеткой (см. фиг.).

В качестве источника излучения рассматривался лазерный диод 1 с длиной волны 655 нм. Температурный дрейф длины волны лазерного диода устанавливался в реальных значениях (+/-10 нм). Ниже представлены результаты расчетов.

Первый компонент коллиматорного объектива - положительная линза 2 имеет параметры: R₁=174,82 мм, R₂=-80,93 мм; толщина d₁=10 мм; показатель преломления n₁=1,4704.

Второй компонент коллиматорного объектива - отрицательная линза 3 имеет параметры: R₃=-80,93 мм, R₄=∞; толщина d₂=31 мм; показатель преломления n₂=1,5163. Зеркальная поверхность с R₄=∞ выполнена под углом 4° к оптической оси объектива (на фиг. не показана).

Расстояние от источника излучения 1 до первой поверхности положительной линзы 2 по оптической оси объектива равно 19 мм. Центр апертурной диафрагмы (центр выходного зрачка) находится на расстоянии 10 мм от оптической оси объектива.

Плоская боковая поверхность объектива ориентирован под углом 20° к оптической оси объектива.

Дифракционная решетка 6 находится на плоском участке боковой поверхности объектива. Пространственная частота полос дифракционной решетки - 1557 л/мм, угол дифракции 20°.

Голограмма 7 прицельного знака расположена под углом 2° к визирной линии прицела. Угол падения на голограмму восстанавливающего излучения составляет 47°. Пространственная частота полос 1191 л/мм.

В результате проведенного расчета оптической схемы голографического коллиматорного прицела с указанными параметрами с учетом значений максимальной величины температурного дрейфа длины волны лазерного диода и значения аберраций оптических элементов прицела, предельные значения углового рассогласования положений изображения прицельного знака с идеальным изображением составили 0,6 минут, что меньше разрешающей способности глаза.

Выполнение объектива и дифракционной решетки в виде не разнесенных в пространстве отдельных элементов, а в виде совмещенного элемента, обеспечивают надежность прицела в процессе эксплуатации, а также упрощает конструкцию объектива, что в свою очередь снижает трудоемкость изготовления прицела.

Изобретение относится к области прицельных устройств стрелкового вооружения и касается голографического коллиматорного прицела. Прицел содержит лазерный диод, голограмму прицельного знака, дифракционную решетку и внеосевой зеркально-линзовый коллиматорный объектив, состоящий из оптически прозрачной части и зеркальной поверхности. Боковая поверхность коллиматорного объектива, определяемая толщиной оптически прозрачной части, выполнена плоской и на ней расположены апертурная диафрагма и выходной зрачок объектива. Внеосевой зеркально-линзовый коллиматорный объектив и дифракционная решетка расположены по одну сторону от визирной линии прицела. Технический результат заключается в снижении требований к точности юстировки, обеспечении надежности в процессе эксплуатации и упрощении конструкции объектива. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Голографический коллиматорный прицел, содержащий лазерный диод, в поле излучения которого последовательно установлены внеосевой зеркально-линзовой коллиматорный объектив, состоящий из оптически прозрачной части и зеркальной поверхности, дифракционная решетка, компенсирующая температурный дрейф длины волны лазерного диода, и внеосевая пропускающая голограмма прицельного знака, отличающийся тем, что по крайней мере одна боковая поверхность коллиматорного объектива, определяемая толщиной оптически прозрачной части, выполнена плоской, на поверхности которой расположены апертурная диафрагма и выходной зрачок объектива, а выход параллельных лучей через апертурную диафрагму обеспечивается внеосевым расположением оптических элементов объектива, при этом коллиматорный зеркально-линзовый объектив и дифракционная решетка расположены по одну сторону линии визирования прицела.

2. Голографический коллиматорный прицел по п. 1, отличающийся тем, что дифракционная решетка расположена непосредственно на плоском участке боковой поверхности объектива.

3. Голографический коллиматорный прицел по п. 1, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена на толстослойной прозрачной фоточувствительной эмульсии и расположена с учетом выполнения условия Брэгга.

4. Голографический коллиматорный прицел по п. 2 или 3, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена пропускающей.

5. Голографический коллиматорный прицел по п. 2, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена отражающей.

6. Голографический коллиматорный прицел по п. 1, отличающийся тем, что объектив выполнен склеенным из 2-х линз, 1-я из которых по ходу луча - двояковыпуклая линза, а 2-я - отрицательная линза.

7. Голографический коллиматорный прицел по пп. 1 и 6, отличающийся тем, что по ходу лучей отражающий участок первой поверхности объектива выполнен с зеркальным покрытием.