战甲科普：常见光学瞄准镜原理及对比第三篇——全息衍射瞄准镜

作者：duketassadar 来源: 战甲网 2015-07-14 10:33:49 阅读：次

全息衍射瞄准镜出现得比较晚，商业化的产品在1996年才问世，但它的瞄准原理其实早已在战斗机的第四代平视显示器（HUD）上得以应用。全息衍射瞄准镜的操作方法以及显示效果都和反射

全息衍射瞄准镜出现得比较晚，商业化的产品在1996年才问世，但它的瞄准原理其实早已在战斗机的第四代平视显示器（HUD）上得以应用。

全息衍射瞄准镜的操作方法以及显示效果都和反射式瞄准镜差不多，都是把红点对准目标即可，但是那个“红点”的产生原理和内部结构却大相庭径。

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。

全息瞄准镜的屏幕其实是一块全息照片（或者叫底片更合适），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激光全息照片。拍摄的方式如图12所示

图12，分划板的全息拍照过程

在拍摄时，从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、角度以及拍摄环境震动（尽可能减小震动）都有很严格的要求。

全息片拍出来了，可是要怎么才能看到全息图像呢？这可不是像普通胶卷一样冲晒出来的。如图11所示，要让全息片显像，需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，以与拍照时照射在全息感光底片上的参考光角度相同的入射角度照射到全息片上，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。

图13，全息片的显像过程和瞄准原理

人眼就在全息片的后方接收到衍射出的光线时就会被被骗，认为自己看到了分划板的图像，但实际上那是全息片的+1级衍射波产生的分划板的虚像，而人脑则会把它脑补成图像在进入人眼的光线的反向延长线上。

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又是经过透镜调校成平行光后才照射到全息胶片上的，那么这个光路一被再现，人眼收到的也就是一束平行光，因此人脑同样感受到了一幅“一束从人眼位置发射的笔直的光线”的图像。

因为人眼接收到的光线是平行光，那么瞄准操作是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，也就表示此时与那束虚拟光线平行的机械瞄具瞄准线也已经对准了目标。

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大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分划板图像。

由于全息片是一个纯平面，因此理论上不会产生反射式瞄准镜中因为分光镜的弧面而出现的视差问题。

图13是一种典型的全息瞄准镜——美国L3通讯公司的EOTech全息瞄准镜的结构原理示意图。

图14，EOTech结构原理示意图

上图是EOTech的光路示意图，和前面的显像原理示意图相比，图上除了激光器、反射镜、全息照片这些元件外，还多出了一个元件——光栅。之所以要装这个元件，目的是为了要消除误差。前面说了全息片是一个纯平面，因此不会出现视差，那为什么还要来消除视差呢？这里请注意前文是“不会产生反射式瞄准镜中因为分光镜的弧面而出现的视差问题”，但是这不代表全息瞄准镜不会因为其他原因而产生误差。

（加装光栅的目的，是为了消除激光波长变动造成的误差。虽然理论上全息镜不会出现视差，但是视差并不是造成实际使用中出现误差的唯一原因。）

由于EOTech不是实验室里的实验设备，而是注重实用性的商品。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，那么需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，以与拍照时照射在全息感光底片上的参考光角度相同的入射角度照射到全息片上。

波长一致和角度一致，这两个条件缺一不可，如果波长不同会出现什么情况样呢？如图14所示：

图15，不同波长的入射光以相同角度进入全息片的效果示意图

图15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），也就是分划光点会上下偏移，破坏了虚拟光线与枪械瞄准线的平行性，自然也就无法瞄准了。

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，那么人脑补的虚拟光线自然也就和瞄准线平行，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、波长是否与拍照时的参考光一致对能否准确瞄准并不是必要条件。那么光栅就派上用场了。

图16，光栅补偿示意图

图16是在全息片前面加上一个和全息片具有相同空间频率，且位置平行的透射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用于瞄准了。

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光栅，用的是色散补偿的方法来修正误差。其中的原理解释起来比较复杂，不过读者可以把这个系统想象成图17所示的两个互相倒置的三棱镜，当一束光穿过这两者时，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。

图17，色散补偿

在EOTech全息瞄准镜里用来补偿波长变化的是一块反射光栅而不是原理图中的透射光栅。这还是源于商业化的需求，如果采用透射光栅来做补偿则会加大整个系统在距离方向和高低方向上的尺寸，而且两片光栅（补偿用光栅和全息片自身）串联也会影响目标光线的透过率。这里使用反射式光栅有利于缩短系统光路，控制产品的尺寸，透射光栅和反射光栅在功能上没有区别。

不过反射光栅和全息片不是平行的，之间存在一定夹角，所以色散补偿并不完全。分析表明，当衍射角变化1mrad时，在100m的距离上引起分划的移动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。

另外反射光栅在这里还有另一个作用，就是可以通过对光栅在水平和垂直方向上调节来校正光点图像的位置。

eotech_mount[1].jpg

我们最后再回过头看看EOTech的示意图，它的工作过程是这样的——半导体激光器发出激光束，由平面反射镜反射到准直反射镜上，再由准直反射镜将光线做离轴校正成平行光并反射到反射衍射光栅上。经反射衍射光栅反射的光线照射到全息片上，再经过衍射后传到人眼中，这时人眼就看到产生了原来的分划板的全息图像，这个像是像距也是无限远的虚像。由于全息照片的每一部分都能记录原分划板的信息，所以它可以让观察者在任意方向上都看到它。在一支已经归零的EOTech上，如果你能看到那个光点，这就表明你的视线此时和枪械的瞄准线是平行的，所以你只需要把光点对准目标就可以射击了。

由于瞄准原理和反射式瞄准镜相同，所以反射式瞄准镜的优点在全息衍射瞄准镜身上基本上都有，同时它还拥有反射式瞄准镜所没有的一些优点：

分划图像亮度高。由于采用了激光这一亮度和准直性都很高的光源作为再现光，全息衍射所成的分划板图像亮度要比反射式瞄准镜高很多，适合强光环境使用。
不易被发现。由于再现光的80-90%被衍射，所以全息瞄准镜的光源对外辐射很小，不易被夜视设备侦测到。使用夜视仪需要接近到1米以内才能发现全息瞄准镜对外发出的光。
没有像差，分划图像清晰准确。全息瞄准镜的成像过程只有衍射，没有反射和折射过程，因此分划图像不产生像差，瞄准精度更高。
视差微小。全息片是个平面透明的光学元件，因此理论上不会像反射式瞄准镜中分光镜那样产生视差。但是由于全息片自身依然有一定厚度，所以实际使用中还是存在细微视差，在较近距离上容易看出。这个视差会随着目标距离逐渐增大而消除，具体到EoTech上大约是在90m距离上就察觉不出来了。这同样有利于提高瞄准精度。
可靠性高。原理就是全息照片任意大小的一部分都可以还原出原始场景的全部光学信息的特性。可以让全息瞄准镜在被泥污沾染甚至破损的情况下依旧可以正常瞄准。

（虽然这是厂商大力宣传的一个卖点，不过关于这一点其实是存在争议的。全息照片固然存在上述特性，但是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，微米级的偏差都会造成较大的视差。如果EoTech上的全息片都损坏了的话，里面的激光器、反射镜、光栅这些零件也难免发生故障。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，同样会影响到瞄准效果。）

全息瞄准镜也不是十全十美的，它也存在一些不足：