Лазерная система засветки и целеуказания

Лазерная система засветки и целеуказания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к лазерным системам защиты, предназначенным для светового ослепления и дезориентации нападающего, а также прицеливания при стрельбе из огнестрельного или другого вида оружия.

Уровень техники.

Использующиеся в настоящее время лазерные системы и устройства защиты состоят, как правило, из лазерного диода и оптической системы, которая имеет возможность смещаться вдоль оптической оси и создает пятно засветки необходимого размера на требуемом расстоянии. Существует несколько способов получения пятна засветки необходимой формы: использование в оптической системе цилиндрической линзы, создание асферической оптической системы, использование перемещающихся диафрагм различной формы и нескольких лазерных диодов и т.д. Для обнаружения объекта подсветки и для его временного ослепления необходимо создание пятен засветки разного размера и разной освещенности в пятне. Обычно это достигается при помощи смещения оптической системы (или одного из ее компонентов) и диафрагмы вдоль оптической оси. Точное прицеливание в системах данного типа либо вообще не предусмотрено, либо реализовано достаточно сложно (создание сложной оптической системы подсветки и целеуказания, установка в системе или устройстве дополнительного канала целеуказания и т.д.). Это сильно удорожает и усложняет лазерные системы и устройства защиты.

Применение в лазерных системах защиты голографических оптических элементов (ГОЭ) позволяет существенно уменьшить массу и габариты системы, а также понизить затраты на производство систем подобного типа. Кроме того, применение ГОЭ позволяет сформировать резко очерченное пятно засветки на требуемом расстоянии, а также сформировать прицельную точку в поле пятна, что облегчает процесс прицеливания (в случае необходимости).

Существует несколько вариантов построения лазерных систем и устройств защиты.

Одним из первых автономных портативных лазерных защитно-осветительное устройств можно считать устройство "The Laser Dissuader", разработанное на основе патента США (John D. German, Eye safe laser security device. Patent USA №5685636 of Nov.11, 1997, Int. Cl.⁶ F21К 7/00) и 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. Основным недостатком данного устройства является то, что создаваемая устройством круглая форма светового пятна не позволяет эффективно использовать мощность излучения, генерируемого устройством, так как "работает" только узкая часть круглого светового пятна, попадающая на глаза, а также требуется лазерный диод большой мощности для создания освещенности в световом пятне, необходимой для дезориентации человека.

В патенте (John D. German, Eric J. Cramer, Michael D. Tocci, Brian K. Spielbusch, Steven J. Saggese, Self-contained laser illuminator module, Patent USA №6007218 of Dec.28, 1999, Int. Cl.⁶ F21К 7/00; F21V 8/00) описан автономный лазерный осветительный модуль, который применяется в качестве защитного устройства, предназначенного для ослабления или временного ухудшения зрения человека с помощью яркого света или ослепляющей вспышки. 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. К недостаткам этого устройства можно отнести необходимость перенастройки устройства в условиях чрезвычайных ситуаций и плохой освещенности, что приводит к потере времени и снижению безопасности защищающегося, а в режиме светового защитного воздействия используется только часть круглого светового пятна, попадающая на глаза нарушителя.

В патенте (Сильников М.В.; Михайлин А.И.; Кулаков С.Л. Способ защиты от нападения и автономное лазерное защитное устройство для его осуществления. Патент Российской Федерации №2197008 от 20.11.2003 г.) описано лазерное устройство, которое содержит корпус с последовательно установленными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом. Корпус выполнен в виде карманного фонаря или в любой другой удобной форме, из легкого металла или пластмассы. В качестве лазерного излучателя в устройстве может быть использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного или импульсного действия, либо малогабаритный лазерный модуль со щелевой диафрагмой на выходе. Объектив устанавливается в корпусе с возможностью его продольного перемещения для создания световых пятен необходимых размеров при обнаружении и дезориентации человека. Недостатком устройства, описанного в данном патенте является то, что в устройстве не предусмотрена точная наводка на цель, а попадание светового пятна в глаза осуществляется за счет возвратно-поступательного движения устройства.

В патенте (Сильников М.В.; Михайлин А.И.; Кулаков С.Л.; Кулакова А.Ф. Автономное лазерное защитное устройство и способ его применения для защиты от нападения. Патент Российской Федерации №2197009 от 20.11.2003 г.) описано лазерное устройство, которое является модификацией устройства, описанного в предыдущем патенте. Лазерное защитное устройство содержит корпус с последовательно установленными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом. Кроме того, в корпусе за объективом на его оптической оси установлена цилиндрическая линза с возможностью ее поворота на угол, кратный 90°, относительно исходного положения. За исходное положение цилиндрической линзы принято такое, в котором главное ее сечение совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна. Цилиндрическая линза конструктивно может быть выполнена круглой, квадратной или прямоугольной формы. Для обеспечения удобства ее поворота она закреплена в оправе, установленной на корпусе с возможностью ее поворота вокруг оси объектива и фиксации при повороте через 90° относительно исходного положения, например, с помощью шариковых пружинных фиксаторов, установленных через 90° на оправе или на корпусе. Основным недостатком данного устройства является то, что для формирования необходимого светового пятна помимо объектива используется цилиндрическая линза. Это приводит к усложнению устройства, его удорожанию и увеличению массы и габаритов.

Наиболее близким из аналогов к предлагаемой лазерной системе засветки и целеуказания является портативное лазерное защитное устройство, описанное в патенте (Сильников М.В.; Михайлин А.И.; Кулаков С.Л.; Кулакова А.Ф. Портативное лазерное защитное устройство. Патент Российской Федерации №2197010 от 20.11.2003 г.) и принятое за прототип.

В этом патенте описано лазерное устройство, которое 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°, 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. За счет использования цилиндрического элемента обеспечивается повышение эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения за счет более точного и направленного воздействия.

Недостатками указанного портативного лазерного защитного устройства являются:

1) применение цилиндрического линзового элемента, выполненного по меньшей мере из двух цилиндрических линз существенно усложняет и удорожает портативное лазерное защитное устройство;

2) применение цилиндрического линзового элемента, выполненного по меньшей мере из двух цилиндрических линз увеличивает габариты и массу устройства;

3) при использовании вышеописанного портативного лазерного защитного устройства невозможно осуществить точное прицеливание вследствие того, что ослепляющая область представляет собой световое пятно без пятна целеуказания;

4) распределение освещенности в световом пятне зависит от распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка. При использовании полупроводникового лазерного диода и линзовых систем обычно не удается выровнять интенсивность лазерного излучения в поперечном сечении пучка, что в данном случае приводит к различной освещенности в различных зонах светового пятна (ярче в центре и менее ярко к краю светового пятна).

Сущность изобретения

Задачами настоящего изобретения являются:

- создание лазерной системы засветки и одновременно целеуказания;

- уменьшение габаритов и массы системы по сравнению с прототипом;

- уменьшение цены системы по сравнению с прототипом.

Техническим результатом настоящего изобретения являются: уменьшение веса и габаритов лазерной системы засветки и целеуказания; создание резко очерченного светового пятна с прицельной меткой в центре на заданном расстоянии от лазерной системы; построение оптической схемы с минимальным количеством оптических деталей и снижение стоимости всей лазерной системы засветки и целеуказания.

Технический результат достигается за счет того, что в лазерной системе засветки и целеуказания, включающей в себя блок питания, лазерный излучатель и коллимирующий объектив, после коллимирующего объектива установлен голографический оптический элемент, который формирует ослепляющую область в виде резко очерченного равномерно засвеченного светового пятна засветки с пятном целеуказания в центре этого пятна.

Голографический оптический элемент может быть выполнен на пластиковой подложке (полиметилметакрилат или поликарбонат) или на лавсановой подложке с термолаковым слоем.

Световое пятно может иметь форму овала, круга или эллипса (предпочтительнее). Применение вместо цилиндрического линзового элемента (как в прототипе) голографического оптического элемента позволяет формировать ослепляющую область в виде резко очерченного равномерно засвеченного светового пятна в виде эллипса с пятном целеуказания в центре этого эллипса.

Описание изобретения и чертежей.

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

На фиг.1 представлена оптическая схема лазерной системы засветки и целеуказания с голографическим оптическим элементом в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг.2 приведен сборочный чертеж лазерной системы засветки и целеуказания в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг.3 представлен стенд для контроля освещенности в пятне засветки и целеуказания, которое формируется лазерной системы.

На фиг.4 представлен вид полученного пятна засветки и целеуказания с проставленными геометрическими размерами в миллиметрах.

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

Оптическая часть лазерной системы засветки и целеуказания (фиг.1) состоит из последовательно установленных вдоль оптической оси полупроводникового лазерного диода 1, коллимирующего объектива 2 и голографического оптического элемента 3. Между полупроводниковым лазерным диодом 1 и коллимирующим объективом 2 устанавливается диафрагма 5.

В соответствии с предлагаемым изобретением лазерная система засветки и целеуказания работает следующим образом.

Пучок лазерных лучей от полупроводникового лазерного диода 1 ограничивается диафрагмой 5, коллимируется объективом 2, который выполнен в виде однолинзового асферического объектива. Далее коллимированный пучок лучей падает на голографический оптический элемент 3, который формирует в плоскости прицеливания 4 (на расстоянии 4,5 м) пятно засветки и целеуказания.

Пример конструкции лазерной системы засветки и целеуказания представлен на фиг.2. Лазерная система засветки и целеуказания состоит из двух частей: оптического модуля и блока питания полупроводникового лазерного диода. Оптический модуль включает в себя закрепленные в корпусе оптического модуля 7 и установленные вдоль оптической оси полупроводниковый лазерный диод (лазерный излучатель) 1 в корпусной оправке 6, коллимирующий объектив 2, затянутый втулкой 11 и голографический оптический элемент 3, закрытый колпачком 12. Корпусная оправка 6 стопорится относительно корпуса оптического модуля 7 при помощи штифта 9. Блок питания 8 полупроводникового лазерного диода может представлять собой набор элементов питания. Оптический модуль и блок питания 8 крепятся в едином корпусе 10.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства электрический ток от блока питания 8 поступает на полупроводниковый лазерный диод 1 (лазерный излучатель). Излучение от лазерного диода 1 проходя через диафрагму 5 и коллимирующий объектив 2 попадает на голографический оптический элемент 3, посредством которого и получается область засветки в виде пятна с более ярким пятном малого диаметра в центе.

Для более эффективного ослепления необходимо, чтобы получаемое пятно засветки было как можно более равномерным. Для контроля равномерности освещенности в плоскости прицеливания (в зоне, ограниченной пятном засветки) был разработан стенд для контроля освещенности в пятне засветки и целеуказания, представленный на фиг.3.

Стенд для контроля освещенности в пятне засветки и целеуказания работает следующим образом. Лазерная система засветки и целеуказания формирует на расстоянии 4,5 метра в плоскости полевой диафрагмы пятно засветки и целеуказания. Диаметр полевой диафрагмы равен 3 мм, что соответствует наименьшему размеру зрачка глаза человека. Полевой диафрагмой производится сканирование пятна засветки и целеуказания, а с фотодиода снимаются показания и вычисляется освещенность в каждой точке пятна целеуказания.

Внешний вид пятна засветки и целеуказания, а также его основные геометрические параметры представлены на фиг.4. Расстояние между точками (дискретами) в пятне засветки около 1 мм, размер точек - 1...2 мм. Это позволяет эффективно ослеплять человека в любое время суток, поскольку известно, что диаметр зрачка глаза равен 3...8 мм. Кроме того, наличие пятна целеуказания в световом пятне позволяет более эффективно прицеливаться и затрачивать меньше времени на этот процесс.

Следует отметить, что голографический оптический элемент лазерной системы засветки и целеуказания представляет собой тонкую цифровую голограмму, работающую в нулевом порядке дифракции. За счет использования голографического оптического элемента в лазерной системе засветки и целеуказания удалось уменьшить массу и габариты системы по сравнению с прототипом, вследствие того, что голографический оптический элемент может быть изготовлен не только на стеклянной подложке или на подложке из пластика (например, на полиметилметакрилате или поликарбонате), но и на пленках лавсана с термолаковым слоем. Лавсановые пленки имеют очень малую толщину и массу. Кроме того, при серийном изготовлении лазерной системы засветки и целеуказания стоимость голографического оптического элемента на пластиковых или лавсановых подложках ниже стоимости цилиндрических линз, которые используются в прототипе. Это связано со специфической технологией получения и тиражирования голографических оптических элементов.

1. Лазерная система засветки и целеуказания, содержащая блок питания, лазерный излучатель и коллимирующий объектив, отличающаяся тем, что она содержит голографический оптический элемент, установленный после коллимирующего объектива для формирования ослепляющей области в виде резко очерченного равномерно засвеченного светового пятна засветки с пятном целеуказания в центре этого пятна.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что голографический оптический элемент выполнен на пластиковой подложке - полиметилметакрилате или поликарбонате.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что голографический оптический элемент выполнен на лавсановой подложке с термолаковым слоем.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что пятно засветки имеет форму эллипса, овала или круга.