CN102141678A - 一种全息光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全息光路系统，包括用于为系统提供光源的激光发射模块，用于对激光发射模块发射的光进行准直、滤波和偏折的全息透镜和带有瞄准分化图像的全息图，全息透镜与激光发射模块处于同一光轴上；全息图处于全息透镜的出射光路上；激光发射模块中设有一激光二极管和用于把该激光二极管发出的光束的发散角进一步扩大的一扩束器件。该全息光路系统更为简洁、紧凑且样式更为灵活，解决了现有全息瞄具中所存在的光路系统同轴性差及系统结构长度较大的问题。

Description

一种全息光路系统

技术领域

本发明涉及一种全息光路系统，尤其是一种可适用于激光全息瞄准装置的全息光路系统。

背景技术

全息瞄具是二十世纪末才走向应用的一种新型瞄具，它是全息术在轻武器上的第一次应用，一经问世，就以其独特的性能在民用和军用领域引起了巨大的反响，目前它已经被应用在美国和德国的部分部队。

全息瞄具利用全息光学元件的衍射分化虚像进行瞄准，具有瞄准速度快、隐蔽性好和受环境影响小的优点。与其它瞄具相比，它具有更开阔的视场，可实现全视野瞄准。能方便地装在任何枪械上，安装迅速可靠，即不影响枪械原来的机械式瞄准具的使用，也不影响其后配置望远镜、夜视镜等。瞄准分化图像的亮度可以根据需要进行调整，以适应不同的目标。

全息瞄具的光学部分是整个装置的核心，其中包含激光光源、全息瞄准衍射元件和其它辅助性光学器件，光学部分的光学元件越少，瞄具的结构可以做得越紧凑轻便，如专利号为ZL200920218958.2的专利中所述的全息瞄具要重点关注的两点：1、瞄具体积要尽量小、重量尽量轻；2、用于瞄准的全息图的分化图像必须要清晰，且在使用过程中要克服温度变化带来的瞄准误差，但其将LD和凹透镜独立进行装配，将带来同轴调节难度大的问题，透射全息匹配滤波器和凹透镜所组成的光路系统同时还存在着结构相对偏长、光路系统样式相对单一的缺陷；而专利号为ZL200810071050.3的专利中利用反射镜来使激光折叠运行，也存在系统长度较大的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更为简洁、紧凑且光路系统样式更为灵活的瞄准光路系统，以解决现有全息瞄具中所存在的光路系统同轴性差及系统结构长度较大的问题。

为达上述目的，本发明提供了一种全息光路系统，包括用于为系统提供光源的激光发射模块，用于对激光发射模块发射的光进行准直、滤波和偏折的全息透镜和带有瞄准分化图像的全息图，其特殊之处在于，全息透镜与激光发射模块处于同一光轴上；全息图处于全息透镜的出射光路上；激光发射模块中设有一激光二极管和用于把该激光二极管发出的光束的发散角进一步扩大的一扩束器件。

上述激光二极管是发射红色可见光波的激光二极管、发射绿色可见光波的激光二极管、发射蓝色可见光波的激光二极管或发射红外光波的激光二极管。

上述扩束器件是单片负透镜、扩束透镜组或全息扩束透镜。

上述全息透镜位于所述激光发射模块的后方或下方；所述全息图放置于该全息透镜的前方偏上，且二者平行放置或近似平行放置。

上述全息透镜是透射式或反射式全息透镜。

上述全息图是透射式或反射式的全息图。

本发明的优点体现在以下几个方面：

1、由于系统光源直接利用一个激光发射模块进行供给，所以激光束在短距离内就能达到足够大的光束面积；

2、激光发射模块中的扩束器件的选用比较灵活，该扩束器件可以为传统光学元件中的单片负透镜或扩束透镜组，也可以为全息光学制作的全息扩束透镜等。

3、本发明光路系统中的激光二极管发出的光波可以为常规瞄具中应用的红色可见光波，也可以是绿色的可见光波，可以根据情况配合不同瞄具的应用需要，即该光路系统即可以应用于红光全息瞄具也可以用于新型的绿光全息瞄具中。

4、为保证全息透镜衍射光束的平行度，入射到全息透镜的光束必须沿透镜的法线方向传播，本发明的光路系统采用激光发射模块直接把光束入射到全息透镜上，避免了光路系统在全息透镜前加入其它光学元件造成的调同轴问题。

5、光路系统可采用反射式全息透镜，利用反射式全息透镜，使得光束的传播路径可以在水平方向折叠式进行，使得结构更为紧凑，这样全息瞄具的结构可以做得更为简洁且重量会更轻。

6、本发明通过对全息透镜和全息图两光学元件之间匹配使用时衍射角度之间的相互补偿关系进行了详尽的阐述，使得系统结构的应用范围更广，针对不同的精度要求可以更为灵活的选用合适的光路系统。

附图说明

图1为反射式全息透镜和透射式全息图平行放置匹配使用时的光路系统示意图。

图2为反射式全息透镜和反射式全息图匹配平行放置使用时的光路系统示意图。

图3为反射式全息透镜和透射式全息图匹配有一定夹角放置使用时的光路系统示意图。

图4为当激光束的波长漂移时全息透镜和全息图的入射角和衍射角的变化情况分析示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施案例中设有：一由激光二极管6和扩束系统7组成的激光发射模块1，用于对激光发射模块1发射的发散光进行准直、滤波和偏折的全息透镜2，该全息透镜2位于激光发射模块1的后方，且与激光发射模块1处于同一光轴上；一个带有瞄准分化图像的全息图3，该全息图3放置于全息透镜2的前方偏上，且与全息透镜3平行放置或接近平行放置在全息透镜3的出射光路上。

其中激光发射模块1中设有一个激光二极管6、一个扩束器件7，该激光二极管可以为发射绿色可见光波的二极管也可以为发射红色可见光波的二极管，该扩束器件用于把激光二极管发出的光束的发散角进一步扩大，该扩束器可以为能够对激光二极管发出的光束进行扩束的任何扩束器件，比如简单的单片负透镜、扩束透镜组或全息扩束透镜等，该扩束器件与激光二极管制作成一个模块，可以使发射的激光束为发散角较大的发散光束，发散光束的面积在短距离内就能达到照全全息透镜，缩短了光路系统的长度，从而使光路系统的装配更为简便，也使得该光路系统的产品的结构更为简单稳定。

由该图中不难看出，激光发射模块1发射的发散光束的中心光线沿全息透镜2的法线方向入射至全息透镜2上，在本图的示例中，全息透镜2将沿法线方向入射过来的发散光转变为一束以一定角度斜向上传播的平行光，投射在全息图3上，由于此例中的全息图3是一张记录有分化图像的透射式全息图，因此眼睛4透过全息图3在全息图3的后方看到其上的全息分化图的影像(虚像)5。

此例中的全息图3设于从全息透镜2输出的平行光的斜上方，从全息透镜2输出的平行光入射在全息图3上，且全息图3与全息透镜2平行放置，二者匹配使用，从而起到补偿全息图衍射角度随波长漂移发生变化的作用，所以此例中的全息图的分化位置不会随波长漂移而发生位移，可以实现精确瞄准。

附图2和附图3中所示的各元件的作用和附图1所示系统中的基本相同，在此就不做一一详述了。

下面就激光发射模块发出的激光束的波长漂移时全息透镜和全息图之间的衍射角度变化情况和补偿关系进行一下阐述。

衍射光学元件的衍射角会随激光波长的变化而变化，而全息透镜和带有瞄准分化图案的全息图都是衍射光学元件，它们都遵从全息基本原理和光的衍射定律。由于普通的激光二极管的稳定性较差，其发射的激光波长会随温度发生变化，而波长漂移会导致全息元件的衍射角发生变化，而全息瞄准中的全息图的衍射光所成的瞄准分化图像的位置就会随着衍射角的变化而产生位移。要解决激光波长变化引起的后续瞄准误差问题，就要使全息透镜和全息图进行匹配使用，以消除波长变化引起的瞄准图像位移。

以反射式全息透镜和透射式全息图的光路系统为例，对全息透镜和全息图在波长变化时衍射角变化量之间的相互补偿原理进行如下说明：

如图4所示，假定激光发射模块1的中心光束以角度α入射到全息透镜上2，当激光发射器在使用过程中温度发生变化时，其波长就会随之变化，由于全息透镜2和全息图3都是衍射光学元件，所以全息透镜2的衍射角β也会随着波长的漂移而发生变化，图中，Δβ为光波长λ变化Δλ时所引起的全息透镜2衍射角β的变化量；γ为全息图的入射角，Δγ为波长变化Δλ时全息图的入射角的变化量，θ为全息图的衍射角，Δθ为光波长λ变化Δλ时全息图的衍射角变化量。

由于全息透镜2和全息图3都为衍射光学元件，所以其衍射角都遵循全息基本原理和光的衍射定律。根据光栅方程，全息透镜的入射角和衍射角之间的关系如下：

d1(sinα+sinβ)＝λ    (1)

式中α为全息透镜2的入射角，β为全息透镜2的衍射角，d1为全息透镜2两干涉条纹之间的间距，即全息光栅中常说的光栅周期。

同样全息图3的衍射角与入射角之间的关系也可以由衍射定律得出：

d2(sinγ+sinθ)＝λ    (2)

式中γ为全息图3的入射角，θ为全息图3的衍射角，d2为全息图3两干涉条纹之间的间距，即是全息光栅中常说的光栅周期。

当激光器的波长变化量为Δλ时，全息透镜2的衍射角度变化量为Δβ，(2)式可变为

d1【sinα+(sin(β+Δβ)】＝λ+Δλ    (3)

同样，当激光器的波长变化量为Δλ时，全息图3的入射光角度和衍射光角度也会发生变化，如图所示其变化量分别设定为Δγ和Δθ，这样(3)式就可改写为：

d2【sin(γ+Δγ)+sin(θ+Δθ)】＝λ+Δλ    (4)

根据上式可知，要使全息图3的衍射光不随波长变化，必须使Δθ＝0，；要保证全息瞄准的精度，必须保证全息图3的分化图案在全息图3的法线方向，所以应使θ＝0，这样(4)式可改写为：

d2(sin(γ+Δγ)＝λ+Δλ    (5)

由(4)和(5)两式可得在波长漂移时，要保证全息图3的分化图像始终保持在全息图3的法线方向的条件是：

d1【sinα+(sin(β+Δβ)】＝d2sin(γ+Δγ)＝λ+Δλ    (6)

由于全息透镜2的作用主要是把激光发射器入射过来的发散光转化为平行光，该平行光的平行度会直接影响全息图3的分化图像的成像位置，若平行度不好，会直接影响瞄准精度，所以为保证全息透镜衍射光的平行度，一般会使激光发射器发出的光束沿全息透镜2的法线方向入射，即α＝0，这样(6)式可改写为：

d1sin(β+Δβ)＝d2sin(γ+Δγ)    (7)

由(7)式可知，要想完全消除波长变化造成的全息图3分化图像偏离全息图3法线的问题，只能使全息透镜2和全息图3的参数满足(7)式，满足(7)式最简单的方式就是让(7)中的参数满足下面两式：

d1＝d2    (8)

β+Δβ＝γ+Δγ    (9)

式(8)表面，全息透镜2和全息图3的干涉条纹周期必须相等；式(9)表面全息透镜2的衍射角和全息图3的入射角应该相等。

上述分析表明，要想完全消除波长变化造成的全息图3上的分化图像偏离全息图3法线的问题，就要使全息透镜2和全息图3在制作时就具有相同的空间频率，并在应用时保持平行放置就能完全消除波长漂移对全息瞄准精度的影响，如图1、图2所示的光路系统就是能够满足这种条件的其中两种。

实际在制作产品时，为使结构更加紧凑和样式更加灵活多样，也可部分消除波长漂移对全息瞄准精度的影响，这样就能使全息透镜和全息图具有一定的夹角，使全息透镜2对全息图3因波长漂移造成的瞄准误差只进行部分补偿，只要通过计算最终能保证全息瞄准器的瞄准精度是可以接受的就行了，所以该光路系统也可做成图3的样式。

Claims (9)

1.一种全息光路系统，包括用于为系统提供光源的激光发射模块，用于对激光发射模块发射的光进行准直、滤波和偏折的全息透镜和带有瞄准分化图像的全息图，其特征在于：所述全息透镜与所述激光发射模块处于同一光轴上；所述全息图处于所述全息透镜的出射光路上；所述激光发射模块中设有一激光二极管和用于把该激光二极管发出的光束的发散角进一步扩大的一扩束器件。

2.如权利要求1所述的全息光路系统，其特征在于：所述激光二极管是发射红色可见光波的激光二极管、发射绿色可见光波的激光二极管、发射蓝色可见光波的激光二极管或发射红外光波的激光二极管。

3.如权利要求1或2所述的全息光路系统，其特征在于：所述扩束器件是单片负透镜或全息扩束透镜或扩束透镜组。

4.如权利要求1或2所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息透镜位于所述激光发射模块的后方或下方；所述全息图放置于该全息透镜的前方偏上，且二者平行放置或近似平行放置。

5.如权利要求4所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息透镜是透射式或反射式全息透镜。

6.如权利要求5所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息图是透射式或反射式的全息图。

7.如权利要求3所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息透镜位于所述激光发射模块的后方或下方；所述全息图放置于该全息透镜的前方偏上，且二者平行放置或近似平行放置。

8.如权利要求7所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息透镜是透射式或反射式全息透镜。

9.如权利要求8所述的全息光路系统，其特征在于：所述全息图是透射式或反射式全息图。

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