CN101876749B - 紧凑匹配型全息瞄准器光学*** - Google Patents
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Abstract
紧凑匹配型全息瞄准器光学***，涉及一种全息光学***。提供一种结构紧凑，并能在任何状态下都能达到精确瞄准的紧凑匹配型全息瞄准器光学***。设有激光二极管、凹透镜、透射式全息匹配元件和透射式全息图，凹透镜垂直放置于激光二极管的前方，透射式全息匹配元件垂直放置于凹透镜的后方，激光二极管、凹透镜和透射式全息匹配元件在同一光轴上；透射式全息图置于透射式全息匹配元件的后方偏上。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息光学***，尤其是涉及一种用于全息瞄准器装置的紧凑匹配型全息瞄准器光学***。
背景技术
全息瞄准器利用重现的全息图虚像来瞄准，具有瞄准快速、瞄准精度高且不受气候及环境条件影响等优点。全息瞄准器可安装在各种枪械上，由于在近距离枪战中比其它类型的瞄准器更具优势，因此近年来全息瞄准器受到各国军事部门的高度重视。
在全息瞄准器中一定包含有一个激光二极管(LD)和一张全息图。LD发出的激光照射在全息图上，人眼透过全息图可看到一个呈现在远处的全息分划图像，用该图像来瞄准要射击的目标。在对全息瞄准器的研制中，最关注的有二点：1、瞄准器必须体积小、重量轻；2、用于瞄准的全息图像必须清晰，而且在使用过程中其方向不能随温度改变。
中国专利ZL200420074252.0中揭示的瞄准器，由于光学***很简单，虽然可做得小巧轻便，但是达不到上述第二个要求，其原因是：(1)在瞄准器使用过程中，LD的温度升高导致输出波长改变，造成全息图像的位置改变；(2)LD发射的激光相干性差，使得全息图的像差很大，因而全息图像不清晰。因此改进的方向是在LD和全息图之间加入有效的光学元件，来克服LD波长变化造成全息图象位置变化的问题并提高全息图的清晰度。美国专利US6490060和US2006/0164704中揭示的光学***都采用了一个光栅，来达到控制激光束运行方向、对波长进行滤波、以及减小全息分划图像随波长漂移而改变方向等多重效果。在上述的2个美国专利的光学***中，光栅的衍射光照射在全息图上，作为全息图的入射光。全息图入射光的角度和光波长决定了全息图像的位置。LD在使用过程中发热使激光波长变大，导致光栅的衍射光角度变大，因而使得全息图的入射光角度也变大。对于全息图，激光波长变大使全息图像的角度变大，然而增大的入射光角度却使全息图像的角度反方向变化，因而减小了激光波长变化引起的全息图像的角度偏离量。但由于光栅相对全息图有一倾斜角，波长变化造成全息图像的角度偏离必然存在，使瞄准精度受到影响。在最近公布的中国专利200810071050.3中揭示的全息枪瞄光路***中，采用了一个全息透镜来对激光束进行准直、偏折和滤波，使整个***结构比美国专利US6490060中的***简单且成本低，并比美国专利US2006/0164704的***长度短。众所周知，照射到全息图上的光束必须达到能覆盖整个或大部分全息图的面积，才能更有效地使全息图产生出明亮的全息图像，并使眼睛在瞄准时可以在较大范围内移动，方便进行迅速瞄准。为了使激光二极管发出的发散光到达全息图时能达到足够大的面积，光束走过的路程必须有一定长度。中国专利200810071050.3采用了一个反射镜来使激光束折迭式运行，以减少光学***的长度，但这种折迭式光路使得整个***的高度增加。由于瞄准器采用金属外体，增加高度也就增加了重量；若要降低瞄准器的高度，全息透镜必须倾斜放置。中国专利200810071050.3中的全息透镜与美国专利US6490060和US2006/0164704中的光栅有着一个同样的作用，就是能使受波长漂移造成全息图像位置的改变量减小。然而，它们都无法完全消除全息图像随波长漂移产生的位置变化，因此无法做到精确瞄准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑，并能在任何状态下都能达到精确瞄准的紧凑匹配型全息瞄准器光学***。
本发明设有：
一个激光二极管(LD)，激光二极管用于发射红色可见光波，为***提供光源，激光二极管发射的激光束为发散光，发散光的中心光线在水平方向；
一个凹透镜，凹透镜用于将激光二极管发射的发散光的发散角进一步扩大，使激光束在较短的运行路程中达到需要的光束面积，凹透镜垂直放置于激光二极管的前方；
一个透射式全息匹配元件，透射式全息光学元件用于与全息图匹配，透射式全息匹配元件还用于滤波和准直，透射式全息匹配元件垂直放置于凹透镜的后方，激光二极管、凹透镜和透射式全息匹配元件在同一光轴上；
一个透射式全息图，在激光照射下可产生一个呈现在远处的全息图虚像，用于瞄准，透射式全息图置于透射式全息匹配元件的后方偏上。
所述透射式全息匹配元件和透射式全息图最好具有相同的空间频率。
所述透射式全息匹配元件和透射式全息图最好相互平行放置，以便使透射式全息匹配元件的衍射角和透射式全息图的入射角相等。
本发明具有以下突出优点：本发明由于在水平方向采用一个凹透镜来使激光束的发散角迅速扩大，因此使激光束在较短的运行距离达到足够大的光束面积；由于采用一个全息匹配元件，因此不仅具有对激光进行准直、偏折、滤波等作用，而且更重要的是与全息图进行匹配，保证全息图像在枪瞄使用过程中始终保持在水平方向。由于***在横向和纵向都有较小尺寸，因此有效降低了瞄准器的重量。由于用于瞄准的全息图像不随激光二极管波长变化而改变方向，因此瞄准精度可以保证。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的全息匹配元件的衍射角β偏离情况示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明实施例设有：一个激光二极管(LD)1、一个凹透镜2、一个透射式全息匹配元件3和一个透射式全息图4。
激光二极管1用于发射红色可见光波，为***提供光源。激光二极管1发射的激光束为发散光，发散光的中心光线在水平方向。
凹透镜2用于将激光二极管1发射的发散光的发散角进一步扩大，使激光束在较短的运行路程中达到需要的光束面积，凹透镜2垂直放置于激光二极管1的前方，凹透镜2的中心点与激光二极管1发射光束的中心光线在同一水平线上，激光二极管1发射的光束经过凹透镜2后，发散角被增大，使光束的面积在短距离内增大很多。
透射式全息光学元件3用于与透射式全息图4匹配，使透射式全息图4产生的全息图像6始终保持在水平方向，透射式全息匹配元件3还作为滤波器用于滤波和准直，将激光二极管1中产生的不需要的波长滤掉，从而减少全息图像6的像差，保证瞄准时全息图像6有足够好的清晰度，并能将通过凹透镜2的发散光转变成平行光，透射式全息匹配元件3垂直放置于凹透镜2的后方，透射式全息匹配元件3的中心点与凹透镜2的中心线重合，即激光二极管1、凹透镜2和透射式全息匹配元件3在同一光轴上。从凹透镜2出射的发散光照射在透射式全息匹配元件3上，从透射式全息匹配元件3后方出射的平行光以某一角度向上倾斜。
在激光照射下可产生一个呈现在远处的全息图像(虚像)6，用于瞄准，透射式全息图4置于透射式全息匹配元件3的后方偏上，从透射式全息匹配元件3射出的平行光照射在透射式全息图4上，人眼在透射式全息图4的后方可观察到在水平方向的远处有个全息分划图像。
图1给出本发明实施例的结构组成示意图。在图1中，标记1是激光二极管，2是凹透镜，3是透射式全息匹配元件，4是透射式全息图，5是人眼，6是全息图像。激光二极管1、凹透镜2和透射式全息匹配元件3共轴放置。从激光二极管1发射的激光束沿水平方向向前运行，到达垂直放置的凹透镜2。在凹透镜2后方，被放大的激光束沿水平方向到达垂直放置的透射式全息匹配元件3。激光束经过透射式全息匹配元件3后被准直成平行光，以某一角度β向上运行。透射式全息图4垂直放置于透射式全息匹配元件3的后上方，两元件相互平行。激光束以角度β入射到透射式全息图4。透射式全息图4背后的衍射光在水平方向运行。人眼在透射式全息图4的后方观察，可看到呈现在透射式全息图4前方水平方向的全息图像(虚像)6。
透射式全息匹配元件3和透射式全息图4都是全息衍射光学元件，其基本制作方法在众多教科书中都有具体描述。
透射式全息匹配元件和透射式全息图的匹配问题：
由于全息匹配元件和全息图都是衍射光学元件，它们的衍射角会随激光波长的变化而改变。激光二极管在使用过程中温度变化，会造成波长漂移，使得全息匹配元件的衍射角β变化。β角变化就使射向全息图的激光角度θ也产生变化，导致全息图像的方向(即全息图的衍射角)改变，偏离水平方向。这一角度偏离情况如图2所示，其中标记3为透射式全息匹配元件，4为透射式全息图，6为全息图像；α为透射式全息匹配元件的光入射角(光在法线方向入射，所以α＝0)；β为透射式全息匹配元件的衍射角，Δβ为光波长λ的变化Δλ引起的角度变化量；θ为透射式全息图的光入射角，Δθ为光波长λ的变化Δλ引起的入射角变化量；Δφ为光波长λ的变化Δλ引起的全息图像角度变化量。为了解决激光波长变化引起的问题，透射式全息匹配元件必须与透射式全息图达到完全匹配，才能消除光波长变化对全息图像方向的影响。
透射式全息匹配元件的衍射角遵循光栅衍射定律，可由光栅公式算出：
d1(sinα+sinβ)＝λ (1)
其中α和β分别为入射光和衍射光的角度，λ为光波长，d1为光栅周期。***中激光束从透射式全息匹配元件的法线方向射入，有α＝0，所以式(1)可改写为：
d1sinβ＝λ (2)
透射式全息图同样遵循光栅衍射定律，因此有：
d2(sinθ+sinφ)＝λ (3)
其中θ和φ分别为入射光和衍射光的角度，λ为光波长，d2为光栅周期。
当激光波长有改变量Δλ时，透射式全息匹配元件的衍射光角度有改变量Δβ，式(2)变为：
d1sin(β+Δβ)＝λ+Δλ (4)
同时透射式全息图入射光角度和衍射光角度也会产生变化，设改变量分别为Δθ和Δφ，则式(3)变为：
d2[sin(θ+Δθ)+sin(φ+Δφ)]＝λ+Δλ (5)
要使透射式全息图衍射光不随波长变化，必须使Δφ＝0；由于全息图像必须在透射式全息图的法线方向，因此有φ＝0。所以式(5)可改写为：
d2sin(θ+Δθ)＝λ+Δλ (6)
合并式(4)和(6)可得在波长漂移情况下要使全息图像保持在水平方向的条件：
d1sin(β+Δβ)＝d2sin(θ+Δθ) (7)
比较式(7)等号的左右两边可得条件：
d1＝d2 (8)
sin(β+Δβ)＝sin(θ+Δθ)→β+Δβ＝θ+Δθ (9)
式(8)表明，透射式全息匹配元件和透射式全息图的干涉条纹周期必须相等；式(9)表明透射式全息匹配元件的衍射角和透射式全息图的入射角无论波长如何变化都应是相等的，这种情况只有当2个元件平行放置时才能实现。
以上分析表明，透射式全息匹配元件和透射式全息图具有相同的空间频率并平行放置，就能消除波长变化造成全息图像方向改变的问题。
Claims (1)
1.紧凑匹配型全息瞄准器光学***，其特征在于设有：
一个激光二极管，激光二极管用于发射红色可见光波，为***提供光源，激光二极管发射的激光束为发散光，发散光的中心光线在水平方向；
一个凹透镜，凹透镜用于将激光二极管发射的发散光的发散角进一步扩大，使激光束在较短的运行路程中达到需要的光束面积，凹透镜垂直放置于激光二极管的前方；
一个透射式全息匹配元件，透射式全息光学元件用于与全息图匹配，透射式全息匹配元件还用于滤波和准直，透射式全息匹配元件垂直放置于凹透镜的后方，激光二极管、凹透镜和透射式全息匹配元件在同一光轴上；
一个透射式全息图，在激光照射下可产生一个呈现在远处的全息图虚像，用于瞄准，透射式全息图置于透射式全息匹配元件的后方偏上；
所述透射式全息匹配元件和透射式全息图具有相同的空间频率，所述透射式全息匹配元件和透射式全息图相互平行放置。
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