瞄准具大介绍之光学瞄具———全息瞄准具部分

作者：ROGERCLARK 来源: 人人网 2013-02-22 23:29:39 阅读：次

今天为大家带来的是全息光学瞄具的一个比较系统完整的介绍，作为一个比较新奇的技术，大家想必对这种听起来就十分酷的装备的原理和历史比较好奇，主页君到处查找求证，写出这篇文章

今天为大家带来的是全息光学瞄具的一个比较系统完整的介绍，作为一个比较新奇的技术，大家想必对这种听起来就十分酷的装备的原理和历史比较好奇，主页君到处查找求证，写出这篇文章。由于今天的内容涉及的东西比较复杂，但又十分关键的，主页君也不是专业的物理系学生，所以肯定会有解释不详细甚至错误的地方，到时候欢迎大家指出。

我们最常见到的全息瞄准具的外形和前一篇文章介绍的反射式瞄准具（红点镜）十分相像，甚至使用的方法都是一样的，都是通过“两像重叠”的方式来瞄准，所以有很多朋友都把它们混淆，实际上它们有很大的不同，相信各位看官只要仔细的看懂了今天这篇文章，就不会认为它们是同一个东西了。

先看看这个全息瞄准具的宣传视频。

（两种瞄具，上面是EOTECH的553型全息镜，下图是TRIJICON的RMR小型红点镜，如果不注意它们的大小区别的话，外形确实很相似）

说到全息瞄准具，我们就不得不提到“全息”这；两个字，可以说正是这个“全息”才能让这个瞄具成为全息瞄具（+_+这不是废话么）。为了让解说更直观，我们来看看这张图

这个图是全息瞄准具的光路图，看起来似乎很复杂？实际上准直反射镜、平面反射镜甚至那个反射衍射光栅我们可以暂时忽略，就把这幅图片简化成下面这个模型。

看到这一步，你就会发现这个光路与前面介绍的反射式瞄具有些不同了。为了解说方便我们把这两个光路放在一起对比一下。

如上面两张图，左边的图为反射式瞄准具的光路，右边为全息瞄具的光路，仔细比较，我们可以发现，反射式瞄具中我们看到红点的实际上是一个处于析光镜焦点处激光管的像，光线在经过反射后并没有实质上的变化，而全息瞄具中，我们看不到类似于红点的东西，光线在穿过全息板前和全息板后是不一样的，如果我们直接看那束平行激光，想必会亮瞎狗眼，但是透过全息板，准确的说是经过全息板“处理”后，我们却看到了分划的图像。总的来说，光线在经过那个全息板后发生了一些变化，这个变化使得本来瞎眼的激光变成了携带了图像信息的光线，这个图像信息指的就是我们看到的瞄准分划。

好了，既然我们搞清楚了这两者本质上的区别，那么我们就应该关心这束光线在穿过这块神奇的全息板时发生到底发生了什么？讲到这里，主页君就该带来一些专业一些的知识了，各位懂行看官轻喷。

光线在这里发生了什么变化，两个字“衍射”。光线在这里发生了所谓的衍射现象，衍射实际上就是光线的一种传播方式，如果我们把光线理解成一个波的模型的话，可能会好些理解。

准确来说，衍射现象是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。用通俗的语言来解释就是光在遇到障碍物会绕个弯走。由于光这个概念有些抽象，我们可以把它类比到生活中常见的水波，虽然它们尺度不同，但是物理意义相近。我们来看看下面的图。

这张图片显示了水波的一个衍射实验，图片右下角平行的水波为入射前的，左上角的半圆形扩散的水波为衍射后的，利用惠更斯作图可以给出这个入射水波传递方向的变化。如图红色线条所示。

上图显示了堤坝上的水波衍射现象，类似于上面的图，我们同样可以看到那半圆形的衍射波。

要观察的光衍射现象也比较简单，你只需要找一个比较细小的物体，比如针尖。然后你把这个小物体对准一束较强的光线，这个时候注意观察物体边缘的部分，如果在你眼睛没被晃瞎之前够仔细的话，你可以若隐若现得观察的小物体的边缘有了一些模糊或者重影。

说了这么多衍射的知识，你可能有些不耐烦，这到底和那个全息板的衍射有什么关系，这些衍射现象看起来很简单也只是光传播路径改变而已，怎么会让我们看到规则的图形呢？

别急，前面的几个例子只是比较简单的单孔衍射，设想如果让光线透过足够复杂的障碍，是否可以形成有规律的图案，答案当然是可行的。实际上我们说光线在经过衍射后发生路径的变化只是一种表面的说法，如果从本质上来说，衍射使得光波发生振幅和相位上的变化。振幅代表着光的强度，这决定了我们看到的东西的明暗，相位决定的因素很多，比如东西的线度大小，物体表面的凹凸等。我们人眼看到的像实际上就是相位信息和振幅信息的综合，如果能够通过某种手段重现某个物体在空间中的相位和振幅信息，即使这个物体不存在，我们也可以看到这个物体，并且无法区分它是否真实存在。前面说到衍射可以改变光的相位和振幅，这样，如果能够设计出一个足够精巧的具有使光线发生有规律衍射的光学器具，那么我们可以通过衍射光线“再现”一个实物，并且保证这个衍射光线在经过人眼的双目视觉处理后具有立体的特性（关于双目视觉的立体特性，这里不叙述，详细知识请自行百度或WIKI）。

（这是一张全息照片，有规则的条纹和明暗的斑块共同记录了相位和振幅信息，直接观看当然不会有东西，我们需要用一束光透过它来观察）

所以总的来说，全息瞄准具中的全息板实际上是一张很特殊的照片。照片内容是实现设计好的瞄准分划。这种照片观看方式比较特别，需要用一束光照射到它的表面，然后人眼再透过这束光来观察。这样我们才能看到照片中记录的信息。

看到这里，你可能会有这样的疑问，要怎样才能形成如此复杂的纹路呢？直接画出来？这听起来似乎是天方夜谭，不过现有的技术确实可以实现直接打印全息板，不过成本高昂，军方是不可能采用高昂的技术的。他们使用的技术是一种更为廉价但也十分有效的技术即——全息摄像术。

全息摄像术，是英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯于1947年发明的。他因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。其它的一些科学家在此之前也曾做过一些研究工作，解决了一些技术上的的问题。这种技术是他在研究电子显微镜增强时偶然发现的。随后，这项技术由他所在的BTH公司在1947年12月申请了专利。

在1960年激光技术出现后，由于激光具有稳定且高的亮度，及其好的时间空间相干性，全息摄影术才有了大规模的应用，第一张记录了物体三维信息的全息胶片在1962年由苏联科学家尤里·丹尼苏克拍摄。

下面我们来简单的解释一下什么是全息摄影技术，我们来看看一张典型的全息摄影的示意图。

先来叙述一下全息相片拍摄的过程，由激光其发出的一束激光由分光器分出两束相干的激光，一束经过准直透镜作为参考光线直接透射到全息片上，另一束作为物光透过厂家实现做好的分化板已一定角度射到全息片上，这个时候，参考光和物光发生干涉现象，产生的干涉条纹由全息板记录下来，这个干涉条纹的纹路就记录下了分划板的全息信息（相位，振幅）。

简单的说，就是利用全息胶片记录下了分划板的物光和参考光的干涉条纹，核心词汇即“干涉”

为了便于理解，主页君简单介绍一下什么叫做干涉。干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新波形的现象。例如采用光学分束器将一束来自单色点光源的光分成两束后，再让它们在空间中的某个区域内重叠，将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的：其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化，最亮的地方超过了原先两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。

光的干涉性很重要，在理论上，它是光的波动特性的直接证据。在实验上，它可以提供及其高精度的测量。历史上许多经典的实验都是用了光的干涉原理制作的测量仪器。让我们还是把光类比到水波上，看看水波的干涉现象。

这张图片显示了水波槽中两个水波源发生干涉的现象，两列独自前进的水波遇到一起后出现了稳定的干涉条纹。

最简单的光的干涉实验是杨氏双缝（孔）干涉实验。这种干涉实验可以在屏幕形成一系列稳定的具有明暗变化的干涉条纹。要看到光的干涉现象也不难，利用生活中的一些小器具就可以做到，用两块刮胡刀片，并排靠紧并在黑色不透光纸片上切割，透过纸片上的两条裂缝观看一个光源，太阳，台灯均可，稍微移动一下纸片或者头部，就可以看到随着运动而变化的彩色光带。如果嫌麻烦，可以直接透过两片刀片的缝隙去看，不过要有一个合适的角度才可以。

上图即为杨氏双缝干涉实验的光路图，用此图可以推导出右边衍射屏上的光强即明暗条纹分布的详细关系。这里就不展示了。

下图是杨氏双缝干涉实验得到的稳定的干涉图样。

如上图，上图显示a（双缝间距）不同的杨氏干涉条纹，左数1和3间距要大于左数2和4。

不知道大家注意到没有，主页君在表述干涉条纹时，总是要在前面加上“稳定”两个字，是不是有不稳定的干涉条纹呢？答案是肯定的。这就涉及到发生稳定干涉的条件。大家知道，太阳发出的光那么明亮耀眼，为什么我们不能够到处看到干涉现象呢？可以这样来解释，由于太阳光的发射是来自于光球层氢原子在各个能级间跃迁作用，这种作用具有随机性，并且时间尺度在10*（-9）范围内，这使得太阳光的振幅和相位不断发生变化，这中变化的干涉条纹实在变的太快了，以至于人类的一般测量器具无法在这样这样短的时间响应，因此我们看不到太阳光的稳定干涉图像。而当光的振幅和相位具有了相关性，那么，他们是可以发生稳定的干涉现象的。用物理语言的来说具有相干性的光才能发生稳定干涉。

光看文字难以理解，让我们用图说话。

上面两张图用比较形象的方式表现了两种干涉，不稳定干涉由于在时间和空间上两列波没有关联，既相干性，所以干涉（这里可以当成把两个图叠加在一起）后的波形是杂乱无章的。而右图显示了稳定干涉的情况，光波1和光波2在振幅和相位上是一样的，也就是说他们具有相干性，叠加后，原来新的光波的谷更深，峰也更高，形成了我们看到的明暗相间的条纹。前面说到，由于激光技术的发明，产生相干性高的光线变得很容易，因此，我们才能看到全息摄影的大规模应用。

前面说了这么多关于干涉的知识，我们再来看看那张用于形成分划的图片。

说白了，这个装置就是一个干涉装置，让参考光和物光发生稳定干涉，产生的干涉条纹包含了分化板的相位振幅信息，全息片上有一种特殊感光材料涂层能够把产生的干涉条纹的相位和振幅信息忠实的记录下来，这个干涉条纹就是我们在前面看到的那个具有纹路的照片的模样。

讲到这里我们就大致讲完了全息照片的制作流程，主页君来大致总结一下

1. 全息瞄准具的全息片是一种特殊的记录了透过分划板物光和参考光干涉图样的照片。

2. 要使用这种照片，必须要用与参考光相同的光线照射全息片，透过它观察衍射光场，我们就可以看到分划。

看到这里，各位应该不会说全息瞄准具和反射式瞄准具是同一个东西了吧，现在让我们再回到最开始的那张有些复杂的光路图。

现在这张图就十分简单了，用一句话就可以概括这个全息衍射镜里发生了什么。激光器发出的再现激光通过平面反射镜和准直反射镜提高准直平行度，再经过反射衍射光栅的偏角补偿射到全息照片像，在全息相片另一个面形成衍射波场，衍射波信息被人眼观察到，就形成了一个分划，同样的，这个分划是一个虚像，由于是平行光，这个虚像也可以等效的无穷远处。

全息瞄准具的优越性是十分明显的，由全息照片形成的分划远比反射式的光电清晰，并且可以根据更换全息照片来更改分划形状，理论上甚至可以用全息板形成一个完全立体的分划。更重要的是，全息瞄准具也具有瞄准快速，支持双眼的瞄准的特点。另外由于激光具有十分优越的平行性，因此，不会出现类似反射镜那样的反射光线平行度不好的问题

（全息瞄准镜可以很方便的进行双目瞄准）

全息光学瞄准具瞄准快速准确，使用者不需要经过大量训练就可以打出比较好的成绩。

另外有一个说不上是优点的优点，由于全息片是记录了光场相位振幅信息的照片，理论上照片上每一个部分都可以再现出原始光场的全部信息（这涉及到光场的边值解唯一性问题，描述它需要牛逼的数学知识，主页君实在看不懂，有兴趣的同学可以自行搜索全息图像的数学模型），因此，这种全息镜在打碎后仍然可以在破碎的镜片上看到完整的分化图像，看到分化就意味这你可以用它来瞄准。

上图显示了打碎后的全息镜，可以看到分化依然完整。

但是说它能够准确使用的人还没有考虑到这样两个问题，由于全息片尺寸的减小，这个分划的分辨率会降低，另外由于边缘衍射现象加剧，这个分划会变得模糊，有些玩家反应，他们的全息瞄准具在损坏后分划甚至出现了重影。另外，产生这种损坏很可能会影响这个光学系统的协调性，从而发生不可预料的精度偏差，所以用已经损坏的全息镜瞄准，是不太可能准确的。

现在来说说这个全息瞄准具的两个致命的缺点，前面有一点主页君没有强调，就是在再现全息图像时必须使用和参考光波长一样的激光，如果不满足这一点，那么我们看到的分划会发生形变和位移，这将导致射击的不准确。我们知道，全息瞄准具是采用半导体激光发生器作为再现光源的，这种激光器的特点在于发出的光线波长会随温度变化，所以这将导致分划位置的移动。下面我们来看看示意图。

这幅图片显示了没有经过衍射光栅补偿的情况，前面说到衍射现象会改变光线传播方向，方向的改变和波长相关，所以，当波长改变时，全息片后光线发生偏移（绿色线条），它的反向延长线和红色光线（准确情况）不一样，所以会产生了分划的偏移。

既然，衍射光出射角度和波长相关，那么我们可以在光线发生变化时先让光线经过一个衍射装置（光栅）来改变一下入射角度，从而修正一些偏移，这样不就可以减少偏移至射击可以容许的范围了么，这就是那个全息衍射板的作用。来看看这张图。

这样一来，在波长不一致的情况下，我们可以改变入射角来改变衍射角，从而使得不同的波长（蓝色、绿色线条）光线也和准确（红色光线）一样平行，这样分划可以减少到射击容许的范围了。

另一缺点在一些民用型号出现，由于衍射光是具有偏振性的（即光的振动方向是一个方向上有优势的），这样一来，当使用具有消偏振光功能的射击护目镜（消去偏振光的目的在于消去强烈的反射眩光，因为这些反射光也是偏振的）后，他们无法看清楚甚至看不到分划了，这一点在现在已经在军用商品解决，解决办法也就是使得护目镜的透振方向和衍射光的偏振方向相同就可以了。

好了，说了这么多，原理部分到此为止，相信各位朋友多少能够理解全息瞄准具是一个什么样的东西了。

现在我们看看世界上全息瞄准具的一些主流产品。

EOTECH公司的系列产品

EOtech公司隶属的密歇根环境研究所（Environmental Research Institute of Michigan）一直是全息技术研究和应用的先驱者，它制造的全息瞄准具叫做HWS（Holographic Weapon Sight）,不过一般就直接把它叫做EOtech瞄准具。它生产的型号应用广泛，大量被军队和民间玩家使用。有如下型号：551、552、553、556\516、557\517系列、XPS、XPS3系列、EXPS2\EXPS3等系列。这些都可以再GUN-WORLD上找到有兴趣的朋友可以直接去网站上查阅。

这里主页君只介绍一部分

（EOTECH的551型，采用两节1.5伏的N-TYPE电池）

（由于551使用比较麻烦的N-TYPE电池，因此EOTech公司推出了使用两节市面易见的AA电池的552系列。不过也由于AA电池比较长一些，因此552的外形是最长的，尺寸为131×49×60mm，重309克。另外还有为民间提供的512型，外形上和552基本一致，只是长了一点点，但最大的区别是没有配合夜视仪的红外分划功能。）

（EOTech 553是用于代替551系列的型号，除了外观上的变化，还把固定方式从拧螺丝改用ARMS的快拆杠杆，有沙色和黑色两种外形，也是美军正式采用的型号。553系列使用两节CR123A电池，瞄准镜尺寸为124×49×71mm，重349克）

（EOTech 556系列是553系列的进一步改进，主要的改进是把开关从背面移到左侧，在全息瞄准镜后面串联安装3X MAG或夜视镜等装置时会更方便。与553系列一样，同样是使用两节CR123A电池，尺寸为130×53×71mm，重372克。这个系列的民用型为516系列，外形几乎一样，尺寸稍有差别，但最大的特点是取消了配合夜视仪的红外分划功能。）

2.bushnell公司生产的全息瞄准具