全息衍射瞄准镜简介

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导读:在讲瞄准镜之前首先要说一下人眼的一些特点,因为无论哪种瞄准镜都是要给人眼来看的,不先说明人眼的特性就很难从基础上解释瞄准镜的工作原理。人眼有两个特性,首先是在接收到一束平行光的时候,会认为光源的位置是在无限远处,肉眼此时无法直接判断出光源的距离,就比如我们盯着太阳看、或者被远距离上的探照灯直射的时候。其次人眼也很容易上当受骗,当光线经过反射、折射过再进入人眼的时候,人眼是无法直接判断出光源的真正位置的,这也就是看到了虚像。 介绍了人眼的特性,还要再说一下普通反射式瞄准镜的原理,好用来和全息

在讲瞄准镜之前首先要说一下人眼的一些特点,因为无论哪种瞄准镜都是要给人眼来看的,不先说明人眼的特性就很难从基础上解释瞄准镜的工作原理。人眼有两个特性,首先是在接收到一束平行光的时候,会认为光源的位置是在无限远处,肉眼此时无法直接判断出光源的距离,就比如我们盯着太阳看、或者被远距离上的探照灯直射的时候。其次人眼也很容易上当受骗,当光线经过反射、折射过再进入人眼的时候,人眼是无法直接判断出光源的真正位置的,这也就是看到了虚像。


介绍了人眼的特性,还要再说一下普通反射式瞄准镜的原理,好用来和全息衍射瞄准镜做个对比。下图是常见的反射式瞄准镜的结构示意图,目标发出的光线透过分光镜进入人眼,人眼看到目标的实像。而照明系统照射分划板的光传到分光镜的凹面上,再由这个凹面将这些光线反射成平行光进入人眼。人眼此时是无法识别那个分划板的真正位置的,只能看到它的虚像,也就是那个红点,并且认为这个像是在无限远处的。把这个分划板的虚像与人眼看到的目标的实像叠加起来就可以用来瞄准。又因为被分光镜的凹面反射进入人眼的是平行光,所以人眼在哪个方向上都能看到那个虚像,就好比你在短时间内在地面上移动了几公里,而看太阳的位置和你移动前还是一样的是一个道理。反过来说,因为只有人眼接收到分光镜反射来的平行光时才能看到那个红点,那也是就是说,在一支已经归零的反射式瞄准镜上,如果你能看到那个红点,这就表明你的视线和枪械的瞄准线是平行的,所以你只需要把红点对准目标就可以射击了。


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1.目标光线 2.析光镜 3.分划板 4.照明系统 5.眼点位置


有反射式瞄准镜和全息衍射使用经验的人或者玩过某些FPS游戏的人会觉得这两者的使用方法相同,都是把红点对准目标即可。虽然二者的操作类似,但是那个“红点”的产生原理却大相庭径。


前面说过的,在反射式瞄准镜上看到的红点是光源的光照射到分划板上再经由分光镜的曲面反射到人眼中形成的虚像。而在全息衍射瞄准镜上看到的红点则是用全息摄像/显像技术产生的分划板的全息图像。


全息瞄准镜的屏幕是一块全息照片,上面记录着通过分划板的透射光波的振幅和位相等全部信息。当然这个分划板是不会装在瞄准镜里的,它只是在工厂生产全息瞄准镜时拿来拍摄全息照片用的,全息瞄准镜的屏幕也就是对分划板拍摄的一张全息照片。拍摄的方式是这样的:



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激光器发出激光被分光器分为两束,其中一束经过透镜组括束并准直成平行光,作为参考光直接照射到全息感光底片上;而令一束光则经过括束后作为照明光照射到分划板上,从分划板上的透明部分透过后,再由透镜校正成平行光,最后也照射到全息感光底片上,这样就完成了对分划板的全息图像的拍摄。在拍摄过程中对整个光路系统中的每个原件的位置、角度都有是有很严格的要求。


全息照片拍出来了,可是要怎么才能看到全息图像呢?其实也不难,只要用一束与拍摄时的参考光相同波长的平行光线,以与参考光当时照射在全息感光底片的角度相同的入射角度作为再现光照射到全息片上,经过衍射后再从全息片的后方射出。而从全息片后方射出的光线就能再现出当初拍摄时照射在分划板上的光线落到全息底片时候的信息,包括频率、方向等等。人眼在全息片的后方接收到这些光线时就会上当受骗,认为自己看到了分划板,但实际上那是全息片的+1级衍射波产生的分划板的虚像。又因为全息片显像时从全息片后方射出的光是能完全再现当初拍摄时照射到全息胶片上的光的光路的,而初拍摄时透过分划板的光线是经过透镜调校成平行光后才照射到全息胶片上的,那么这个光路一旦被再现,人眼收到的也就是一束平行光,因此人眼也就会认为自己看到的像是在无限远的距离上。


接下来的事情就简单了,因为人眼接收到的光线是平行光,那么就和普通反射式瞄准镜一样,先把那个虚像(也就是光点)的位置调好归零,然后在瞄准时只要看到了那个光点落在了目标上,也就表示此时你的枪械的瞄准线和你的视线也是平行的,你也就准确地瞄准了目标。


那么有人要问了,反射式瞄准镜时因为里面那块分光镜的曲面能把照明光源发出的光线反射成平行光,所以人眼才能不管从哪个方向上都能看到那个红点,而全息照片只是一个平面,它是如何做到不管从哪个方向上都能看到那个光点的呢?


这就是全息照片的另一个特性了,因为全息胶片上每个感光点都记录了原始场景的光线的信息,从原理上说,整个场景可以通过任意小的一部分全息照片还原出来。而人眼在专注于看光点时,实际上只是接收到了全息照片上的某一部分衍射出的光线所携带的原分划板的信息,而从全息照片上的任一部分衍射出的光线都能携带相同的信息。所以人眼才能不管从哪个位置上都能看到那个光点虚像,而且这个虚像的位置是不随着你所观察的位置变化而变化的。


因为那个虚像的像距是无限远的,所以在瞄准远距离目标的时候像的偏移就会很大,越远距离上偏移越大,而在反射式瞄准镜上也是无法完全消除视差的,只能尽可能降低。


但是全息式瞄准镜就能解决这个问题,因为它在拍照时用的照明光是激光,激光本身就具有很高的平行性,然后在投射到全息胶片上之前又经过了一次平行校正,可以保证光线的平行性。在全息照片显像时被再现出来的就是这些保证平行的光路,那自然也就不会发生视差了。


下面我们来看一种典型的全息瞄准镜——美国L3通讯公司的EOTech全息衍射瞄准镜。



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上图是EOTech的光路示意图,细心的人肯定注意到了,图上除了激光器、反射镜、全息照片这些元件外,还多出了一个新的东西——光栅。为什么要装这个光栅,它有什么用处呢?这个光栅是用来消除视差的。等等,前面不是说了全息式瞄准镜不会发生视差么?怎么这里又要消除视差了?这个问题还要细说一下。


EOTech是注重实用性的商品,不是实验室里的实验器材,因此对它的尺寸规格有一定的要求,不能太大太重。为了使结构紧凑,EOTech上使用的是小巧的半导体激光器。但是半导体激光器有个问题,它对环境温度的变化比较敏感,发出的激光的波长会随着环境温度的变化而变化。前面在全息图像的显像那一段里有说过,要看到包含原分划板全部信息的图像,那么就要用一束与拍摄时的参考光相同波长的平行光线作为再现光,以与参考光在拍摄时照射在全息感光底片的角度相同的入射角度再照射到全息片上。波长一致和角度一致,这两个条件缺一不可,如果波长不同会怎么样呢?看看这张示意图:



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图中全息片左侧的是红线是再现光,全息片右侧的红线是再现光与参考光波长一致的情况下的衍射光的光路,而绿色的线则是波长不一致的情况下的衍射光光路。在波长不一致的时候,衍射光的衍射角会发生变化,人眼看到的虚像的位置就会出现在绿线的反向延长线方向上(图中未画出),也就是光点会上下偏移。


该如何解决这个问题呢?给激光器上装一个恒温装置?这个方法理论上是可行的,但是正如前面所说的,作为商品的EOTech瞄准镜对尺寸规格有一定的要求,你不能让使用者抱着一个空调去瞄准。那又要怎么办呢?我们再回想一下前面说过的全息瞄准镜的瞄准原理——当人眼看到虚像时,人眼的视线如果和枪械的瞄准线是平行的,那么此时就是正确的瞄准状态。也就是说只要保证从全息片后面输出的衍射光的光路方向的一致性,就可以用于瞄准,而全息片前面的再现光的光路或者波长是否与拍照时的参考光一致对使用者来说其实并不重要。那么此时光栅就派上用场了。



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这是在全息片前面加上一个光栅后的效果示意图,图中红色的线是再现光与参考光的波长、光路均一致状态下的衍射光路,而蓝色和绿色的线则是在波长不一致状态下的光路。可以看到,由于光栅的存在,使得波长变化时的再现光照射在全息片上的角度也发生了变化,这样一来,虽然因为波长的变化而导致衍射光的衍射角也发生变化,但是因为再现光的入射角也发生了变化,入射角的变化补偿了衍射角的变化,使得最后输出的衍射光的方向都一致了,这样人眼就可以看到一个位置稳定的光点的图像了。分析表明,当衍射角变化1mrad时,在100米的距离上能引起分划移动0.1m。当波长漂移+2nm时,未补偿时角度变化3.1×10-3rad (对应分划移动0.31m),补偿后角度变化6.7×10-5rad ( l00m的距离上分划移动6.7×10-3m )。在400m的距离上,经过补偿后分划有2.68×10-2m的移动,这个精度对主要用于近战的全息瞄准镜是完全可以接受的。


这套系统实际上是个双光栅系统,因为全息片本身也是一个复杂的光栅,用的是色散补偿的方法来修正视差。其中的原理解释起来有些麻烦,我就不再赘述了,不过大家可以把这个系统想象成两个互相倒置的三棱镜,当一束光从这两者中通过时,不论入射光的颜色是什么样的(也就是波长不同),这个系统都能输出方向一致的光线。


网上一些军坛有流传着这样一个说法,大意就是说因为全息照片的每一部分都能记录原分划板的信息,所以即使瞄准镜上的全息照片在使用时出现了破损也能正常工作,不会影响瞄准效果。这个说法在我看来就像莎士比亚的《威尼斯商人》中“只准割一磅肉而不能流一滴血”这个条件一样无法实现。全息瞄准镜对系统中各个元件的安装精度都有非常严格的要求,纳米级的偏差都会造成非常大的视差。如果EOTech上的全息片都损坏了的话,谁能保证里面的激光器、反射镜、光栅这些零件都能安然无恙?全息相片的特性在全息瞄准镜上也只是理论上可以实现,实际中则几乎不可能得到应用。而且即便除了全息片以外的元件都极为好运的没有受损,那么也会因为全息片的尺寸减小,而导致图像的分辨率会随之降低,因此看到的光点会变得模糊,一样会影响到瞄准效果。



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本文内容于 2012/5/5 19:10:49 被predators编辑

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