全息瞄准镜中全息光学元件的研究

全息瞄准镜中全息光学元件的研究
姓名：蔡虎薛亮
指导老师：王海林
目录
一、题目 (1)
二、摘要 (3)
三、关键词 (3)
四、引言 (3)
五、全息元件的制作与理论分析 (4)
一、全息元件的制作 (4)
二、全息瞄准镜的原理 (5)
三、理论分析 (6)
四、实验验证 (9)
六、半导体激光器光波长漂移的影响及消除 (11)
七、实验设计 (13)
八、总结 (13)
九、后记 (14)
十、参考文献 (14)
十一、英文摘要及关键词 (15)
十二、附件 (15)
全息瞄准镜中全息光学元件的研究
蔡虎薛亮
摘要: 本文对全息瞄准镜的核心部件——全息光学元件进行了理论和实验研究。

论文介绍了全息瞄准系统的原理、应用及特点，着重定量分析了全息瞄准镜中全息片的再现光束角度在水平和竖直方向微小偏移对“十”字叉虚像偏离角的影响，给出了理论关系式和相应的关系曲线，对其关系进行了实验测量，测量结果与理论分析结果一致。

分析了全息片的再现半导激光峰值波长漂移对“十”字叉虚像偏移角的影响，并提出了利用光栅补偿波长漂移的再现光路的设计方法。

关键词：全息光学元件、全息瞄准镜
一、引言
全息瞄准镜是一种新型的轻武器瞄准镜，它有一些其它瞄准方式不具备的特点，所以一问世就引起了广泛的关注，和其它瞄准镜(具)相比，它们的共同点和不同点如下：
(1)就所有瞄准镜(具)的瞄准方式来说，它们是相同的。

机械瞄准具是三点一线方式:即准星和缺口形成一条直线，然后将目标置于这条线上以达到瞄准的目的;各种光学瞄准镜则是由光学系统确定一条光轴，在光轴上放置一个分划板，使分划和目标重合以达到瞄准的目的;全息瞄准镜也不例外，在照明光的作用下，衍射出一束和全息元件成一定角度并有一定形状(分划)的光，也就是产生了一条光轴和一个分划。

但因它们各自工作原理不同，因此它们各有优点，却也有自身难以克服的缺点。

其中全息瞄准镜无放大倍率，适用距离和机械瞄准具相同，但是瞄准时可以保持睁开双眼，只需要将分划对中目标即可。

它的缺点是无筒身结构，在寻找瞄准图像时有一定的难度。

但在经过一定的训练和适应之后，这个问题不太突出。

(2)全息瞄准镜的瞄准线和武器的机械瞄准具的瞄准线重合。

当机械瞄准具校准后，可以用它来校准全息瞄准镜。

当全息瞄准镜损坏时，可以直接使用武器的机械瞄准具，而不需要从武器上取下。

而光学瞄准镜安装在武器上会妨碍机械瞄准具的使用，如果不在光学瞄准镜的适当位置上开孔或设计机械瞄准装置，光学
瞄准镜损坏时，必须将其卸下。

这一点在紧急情况下非常重要。

(3)全息瞄准镜是一个离轴光学系统。

全息瞄准镜应采取离轴式光学结构，而全息光学元件在制作离轴系统时则相对简单，因此考虑采用全息光学元件。

全息光学元件具有窄带光谱特性:对特定光谱范围内的光有80%左右的衍射效率，对目标及背景的整个可见光谱范围的光(除对应窄带光谱范围)有90%左右的透射率，这是它能够替代分光镜的重要原因。

离轴全息光学元件制作简单，体积和重量可做得较小，而在全息瞄准镜中它不是作为成象元件，可不考虑它的像差(像差是全息光学元件的主要缺点之一)。

(4)全息瞄准镜的光源对外辐射小。

红点式瞄准镜是将光束指向目标，瞄准时暴露自己。

全息瞄准镜照明光的80-90%被衍射，透射光可以被挡掉。

(5)全息瞄准镜只需将其所成虚像对准目标即可射击。

使用时可保持双眼睁开，扩大了视野，提高了瞄准速度，同时眼睛相对瞄准镜的少量移动不影响瞄准，这一点对于其它瞄准方式都是一个突破。

(6)可配合夜视镜使用。

目前全息瞄准镜的放大倍数都为1倍，其适用范围和机械瞄准具相同。

由于全息瞄准镜具有瞄准速度快和不影响瞄准具的使用等特点，因此它被很多国家列入部队的装备，主要用近距离作战和巷战。

目前，美国、日本和以色列研制出了自已的产品，其中美国的全息瞄准镜性能最好。

国内只作了一些简单的报导，没有深入研究的报导。

本论文主要探讨了全息瞄准镜中关键元件—全息光学元件的制作，波长漂移对瞄准的影响和解决办法等。

二、全息元件的制作及理论分析
全息瞄准镜的关键器件是全息光学元件(HOE: Holographic Optical Element)，它遵守光的衍射定律，而不是普通光学元件所遵守的折射定律和反射定律。

全息瞄准器采用了设有环的“+”字叉模式，此“+”字叉是激光束照射在全息元件上所成的衍射虚象，被设计成像在目标平面位置上(例如30m的瞄准距离)。

1、HOE的制作
全息瞄准中的全息片属于平面全息。

拍摄原理光路如图3.1所示。

图3.1 全息片拍摄原理光路图
光源为激光He-Ne 激光器，波长为632.8nm ，单模。

1L 和2L 组成平行光管，使参考光为平行光。

“+”字叉位于透镜的焦点前，使“+”字叉物等效位于全息干版H 前一定距离处（如30m ）。

实际拍摄时，光路中各个元件的位置、角度等有非常严格的要求。

2、瞄准原理
全息瞄准使用原理图如图3.2所示。

再现照明光C 为半导体激光经光学系统后产生的平行光，波长通常选择650nm 。

照明光C 照射全息片H ，全息片H 的+1级衍射波产生的“十”字叉虚像位于H 右边L 距离目标平面上处，人眼位于H 的左边。

瞄准时，环位于目标平面上，只要将环的十字线中心与目标重合，即可实现精确瞄准。

此设计满足了不影响目标的视野和双眼舒适瞄准的需要，使得瞄准变得更容易。

图3.4 平行光照明再现
图3.2 全息瞄准使用原理图
3、理论分析
如图3.3和图3.4所示，在拍摄平面全息片中, 设物点O 的坐标为
(),,O O O x y l ；
拍摄参考光R 源点的坐标为()R R R l y x ,,, 波长为0λ； 再现光C 源点的坐标为()C C C l y x ,,,波长为λ。

像点I 的坐标为()I I I l y x ,,；O l 、R l 、C l 、I l 分别为物点O 、参考光R 源点、再现光C 源点、像点I 到坐标原点的距离。

有如下关系：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=R R O
O C C I I l x l x l x l x μ (3.1) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=R R O
O C C I I l y l y l y l y μ (3.2)
图3.3 平行参考光入射全息干版实现记录
设α,β分别为平行参考光R 与z 轴，y 轴的夹角；
α',β'分别为平行再现光C 与z 轴，y 轴的夹角；α'',β''分别为像点I 矢径与z 轴，y 轴的夹角。

如图3.3所示，全息片拍摄时，物点O 位于z 轴上，其坐标为()O l ,0,0，平行参考光在x -z 平面内，以α角照射全息干版，可得： 0=O O l x ， 0=O
O l y , αsin =R
R l x , 0R R y l =。

再现时，仍用平行光照射全息干版。

如图3.4所示，再现光C 相对与参考光的入射方向有微小变化(其中βπγ'-=)。

再现光C 经过全息干版发生衍射所成的像点I 相对于物点O 的位置也有微小变化。

得到如下关系式：
α'=cos C
C l z (3.3) β'=cos C
C l y (3.4) αβ'-'-=--=22222cos cos 1C
C C C C C l z y l l x (3.5) α''=cos I
I l z (3.6) β''=cos I
I l y
(3.7) I I I
x l == (3.8) 将以上关系式代入式（3.1）和（3.2）得各角之间的关系如下：
sin μα=, （3.9） ββ'=''cos cos . （3.10）
由（3.10）式可见"'ββ=，所以平行再现光C 与y 轴的夹角调节多少角度，虚像I 与y 轴的夹角就偏离多少角度。

由（3.10）式ββ'=''，在 90≈'=''ββ， 60=α的情况下，由于α''是一个很小的量，令ααα∆+='，α∆也是一个很小的量，所以有：
()sinαλλ
sinαcosΔαμsinαΔααsin α0
-≈-+=''
（3.11）
1）当1=μ,()()αααααsin 211cos sin 2
∆-≈-∆=''，其中
()2221
1sin 1cos ααα∆-≈∆-=∆
得出α''与α∆的关系如图3.5所示。

图3.5 α''与λ的关系曲线
2）在0=∆α的情况下，由（3.11）式得出α''与α∆关系如图3.6所示。

nm 8.6320=λ，再现光选取中心波长为nm 650半导体激光器。

图3.6 α''与α∆的关系曲线
4、实验验证
在理论分析的基础上，我们通过实验分析对此进行了验证。

实验中我们通过角度微调，控制调整再现光的角偏移量（''αβ和），并检测出相应的虚像的位置（''αβ''和），由得到的角度位置画出曲线，并与理论分析的结果比较。

通过控制偏转反射镜来调整再现光的角偏移量，如图3.7所示,当反射镜绕入射面内的O 点由O-A 面转过β角到O-B 面时, 再现光束的反射光束将从O-c 转向O-b ,其偏移角x 为γx = 2β。

如图(a) 所示,当反射镜绕入射面与反射镜镜面的交线AA 轴转动δ角时,法线将从n σ 转向m σ ,其出射光线也将从c σ 光束转向b σ光束,其转角为γy = 2δ(δ角很小), 如图(b) 所示。

光束在空间上的方向总可以分解为沿光束传播方向的两个相互垂直的角分量,这样通过反射镜依据图(a) 、( b) 两相互垂直方向的转动,就可实现再现光束的空间角控制
γx = 2β,γy = 2δ
图3.7调整再现光入射方向方法
检测虚像的位置（''αβ''和）的方法将二像限探测器( TEPD ,two element photodiode) 光敏面中心对称线置于聚焦物镜的焦点处,与TEPD 中心对称线垂直的方向为''''0,0αβ==,如图3.8所示。

当光束相对光轴以''α角入射时,光束聚焦于聚焦物镜的焦平面上并发生偏移, 见图 ,在x 轴方向，偏移TEPD 的中心位置量为Δx =α''×f 。

其中, α''为光束角偏移量, f 为聚焦物镜焦距。

选取较大的焦距f ,可增加TEPD 对角偏移量的探测能力。

虚象在纸面方向偏移角α''为
α''=Δx×1f
图3.8
同样，虚象在垂直纸面方向偏移角''β为''β=Δy ×
1f ，Δy 为光束焦点在y 轴方向偏移距离。

实验测得出α''与α∆的关系如图3.9所示。

图3.9 实验测得的α''与α∆的关系
三、半导体激光器光波长漂移的影响及消除
普通激光二极管的温度稳定性差，所发射的激光波长随温度变化。

实际瞄准工作中，温度变化使激光波长在中心标移波长附近漂移，漂移量nm 2±左右。

而衍射角α根据布拉格定律得出:
α=arcsin[Fλ]
式中F 是全息图的空间频率，F=1/Λ，与记录时两束光夹角及记录介质的折射率有关，F 是一记录时确定的值，温度变化对它的影响很小，可以认为是不变的;只是照明光波长，因此波长漂移会导致衍射角变化。

在全息瞄准镜中，衍射光所成的虚像投射到无穷远处，角度的微小变化就意味着虚象的位置会发生较大的变化，因此全息瞄准镜不能有一个稳定位置的瞄准十字叉。

图3.9为衍射角度随波长漂移的变化示意图。

图中的λ1、λ2、λ3、分别为激光二极管在不同温度下的光波长。

解决这个问题的一个思路是稳定激光二极管的温度，但是这增加了系统的尺寸、重量和能量消耗。

另一个思路是利用补偿光栅的方法全部或部分消除温度变化引起光波长漂移的影响。

一种方法是利用光栅补偿波长漂移。

它的基本原理是制作一个和全息图具有
相同空间频率的光栅，使它和全息图平行。

如图3.10所示。

使用这种方法的优点是全息和补偿光栅用同一光路就可制作。

它的缺点是光路的高度增加了。

图3.9衍射角随波长漂移的变化 图3.10 衍射角变化消除
全息瞄准镜使用激光二极管照明，激光二极管光发散角度大，且是椭圆形光斑，将照明准直成平行光，增长了光路、增大了系统的复杂性。

使用另一种方法，即全息图和补偿光栅不平行，如图3.11所示。

图3.11全息图和补偿光栅
补偿光栅和全息图有一定的夹角，破坏了原来的几何关系，使得补偿不完全。

分析表明，当衍射角变化1mrad 时，在100米的距离上引起分划的移动0.lm 。

当波长漂移+2nm 时，未补偿时角度变化3.1×310-rad (对应分划移动0.31m)，补偿后角度变化6.7×510-rad ( l00m 的距离上分划移动6.7×310-m )。

在400m 的距离上，经过补偿分划有2.68×210-m 的移动，这个精度对全息瞄准镜是可以接受的。

但是，补偿光栅和全息图之间有一个夹角，增大了装配的难度，角度偏离布拉格角会引起全息图衍射效率降低。

四、实验设计
上图是设计的轻型全息武器瞄准系统结构示意图。

1为半导体激光器，作为光源，光线经面镜3反射后再经离轴校准元件5反射到反射衍射光栅4上。

4的衍射光作为照明光使全息图6产生再现十字叉丝像
本系统的光路在水平方向上被大大压缩。

为防止波长飘移引起的十字叉丝移动采用反射衍射光栅与全息图（相当于透射光栅）相搭配的方法消除色散。

该衍射光栅在水平和垂直方向可以调节这样就可以对十字叉丝像进行校准。

这样也使得调节系统更小更轻。

这些设计的目的是在完成相应功能的前提下，使得光路尽量在垂直方向传播，使得系统尽可能的简单轻便
五、总结
全息瞄准镜是一个集光全息学、电子和机械设计为一体的瞄准仪器。

作者在完成课题的过程各查阅了大量的国内外资料，在此基础上，对与全息瞄准镜的相关的问题进行了深入的探讨，搞清楚了需要重点解决的问题。

本课题对以下问题进行了研究，并得出了结论。

1、对全息瞄准镜的工作原理有了进一步的认识。

提出了全息瞄准镜的工作原理，并在实验中得到了验证。

2、研究了波长漂移对全息瞄准镜的影响。

选择了补偿光栅方案。

该方案瞄准精度要高一些，且全息元件的装配的简单，有利于缩短光路。

3、定量分析了全息瞄准镜中全息片的再现光束角度在水平和竖直方向微小偏移
对“十”字叉虚像偏离角的影响，给出了理论关系式和相应的关系曲线，对其关系进行了实验测量，测量结果与理论分析结果符合较好。

后记
全息技术在当今高新技术领域中正起着越来越重要的作用。

全息光学元件许多也已装备了现代军队。

全息瞄准系统在当今战斗、执法、反恐、人质营救、维和行动中，尤其是环境复杂、近距离战斗（CQB）、天气恶劣的情况下表现尤为出色，大大加强了单兵的战斗力，该系统在美国、北约和俄罗斯的陆军中已经开始作为常规装备而使用。

对此系统的研究能提高我国瞄准装备系统，具有重要的意义。

课题国内虽然研究全息的单位众多，但是全息瞄准系统在国内却没有任何研究文献也没有专门的研究院所或公司，产品领域更是一片空白。

因此本课题的研究具有开创性，并且对国内在全息瞄准领域的的研究具有重要的推动意义。

相信我国的全息技术在军事上的研究和应用前景会更加美好。

参考文献：
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2、王中民，蔡俊春，孙培家.瞄准仪器原理与设计.北京:北京理工大学出版社1996
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7 、Juris Upatnieks, Anthony Tai, Richard Radler Holographic Gunsight一the Next Generation SPIE 3951 84-93
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9 、Anthony M.Tai, Northville, Juris Upatnieks, Eric J.Sieczka Compact
Holographic Sight US.Patent 5,483,362
10、Anthony M.Tai, Northville, Eric J.Sieczka Lightweight Holographic Sight
US.Patent 6490060
Research on HOE of Holographic Sights
CAI Hu, XUE Liang
Abstract: T his paper wrote about a theoretical and experimental research on the
production of HOE (holographic optical elements), which are the core components in Holographic sights. The paper introduced the principle of holographic sights, then the application and the superiority compared with the traditional sights. Furthermore, this paper discussed the location of cross guided by reappeared laser and angle excursions were measured in the experiments which were consistent with the imagination. In addition, the influence of the semiconductor laser wavelength’s changing on the performance of the system and the design of reproduction optical path which could reduce the influence of wavelength drift by grating were analyzed.
Key words: HOE, Holographic Sights
附件（实验装置照片、实物照片）
实验装置及搭设的记录光路
制作好的全息片
全息瞄准镜的半成品（包括半导体激光器、透镜和全息片）
瞄准目标。