王海林，何佳竻，張 言，王海燕

(南京理工大學 a.大學物理實驗中心；b.電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210094)

全息瞄準鏡原理研究實驗

王海林a，何佳竻b，張 言a，王海燕a

(南京理工大學 a.大學物理實驗中心；b.電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210094)

為了讓學生掌握全息照相技術(shù)，了解全息照相的應(yīng)用及最先進的瞄準鏡特性和功能，設(shè)計了全息瞄準鏡原理研究實驗. 實驗內(nèi)容主要為搭建全息瞄準鏡原理光路，測量所拍全息片“+”字叉虛像縱向距離和橫向方位角，拍出滿足全息瞄準鏡基本要求的全息片. 該實驗可以作為研究性、創(chuàng)新性實驗開設(shè)，并可以做一定的拓展和延續(xù)，使學生提前接受科研基礎(chǔ)訓練.

全息照相；全息瞄準鏡；方位角

全息照相實驗是大學物理實驗中的經(jīng)典實驗，含有豐富的物理學發(fā)展史及物理學概念[1]，是其他任何物理實驗不能相比的. 英國物理學家蓋柏于1948年提出全息概念并于1971年獲得了諾貝爾物理學獎. 1960年激光的出現(xiàn)促進了全息照相的發(fā)展和完善，激光學在20世紀后半葉的40年內(nèi)共4次11人獲諾貝爾物理學獎. 學生通過調(diào)節(jié)光路、拍全息照片、顯影定影處理、全息照片再現(xiàn)，看到了十分逼真的立體像. 雖然實驗時間約3 h，但實驗最后留給學生的往往就是一張立體像，對全息照相所包含的激光、單模、單色光、光波、波的疊加、相干長度、干涉、衍射、物光、參考光、再現(xiàn)光、防振、抗振平臺、感光乳膠、顯影定影等重要概念往往印象不深，對全息照相技術(shù)的應(yīng)用更不清楚，沒有達到物理實驗教學目的. 在大學物理實驗課程結(jié)束后，學生可繼續(xù)進入開放性實驗室進行創(chuàng)新和研究性實驗，其目的是讓學生盡早接受科研基礎(chǔ)訓練，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神，提高學生科研能力與實踐能力[2-7]. 研究與創(chuàng)新性實驗內(nèi)容必須以完成的物理實驗內(nèi)容為基礎(chǔ)，所需儀器設(shè)備及元器件為實驗室的常規(guī)裝配，既可以鞏固基礎(chǔ)知識又能夠?qū)W習新知識，具有研究性和創(chuàng)新性，還要考慮到學生的專業(yè)和興趣. 本文介紹以全息照相實驗為基礎(chǔ)，讓學生完成一項研究與創(chuàng)新實驗——全息瞄準鏡原理實驗，經(jīng)過2組學生實驗，取得了很好的效果，達到了實驗開設(shè)的目的.

1 實驗簡介

全息瞄準鏡工作原理如圖1(a)所示，再現(xiàn)光為半導體激光經(jīng)光學系統(tǒng)后產(chǎn)生的平行光，波長通常選擇635 nm或650 nm. 再現(xiàn)光照射全息片H ，全息片H的1級衍射波產(chǎn)生的“+”字叉虛像位于H右邊目標平面上，人眼位于H的左邊. 瞄準時，只要看到“+”字叉虛像中心與目標重合，即實現(xiàn)了精確瞄準. 也可以說看到的“+”字叉虛像中心位置就是著彈點位置. 該瞄準鏡使用時不影響眼睛觀看目標的視野，雙眼舒適瞄準，瞄準變得更快更容易[4-6].

(a)工作原理圖

(b) 實物照片 圖1 全息瞄準鏡

圖1(b)為全息瞄準鏡實物照片. 全息瞄準鏡是瞄準鏡家族里的最新一代產(chǎn)品，已被很多國家的部隊列裝,應(yīng)用場景廣泛，被譽為現(xiàn)代瞄鏡的一個革命. (思考題1 : 全息瞄準鏡與傳統(tǒng)的光學瞄準鏡，特別是紅點瞄準鏡相比，有哪些優(yōu)特點.)

2 實驗內(nèi)容

2.1 全息片拍攝

全息瞄準鏡中全息片為菲涅耳型全息圖，拍攝原理光路如圖2所示，與多數(shù)高校大學物理實驗中光路類似[1,7]. 光源為單模He-Ne激光，波長為632.8 nm，透鏡L1擴展光束照射分劃板，分劃板由毛玻璃和貼在表面帶有“+”字叉圖型的菲林片組成，分劃板位于物鏡L2的焦點附近，分劃板縱向(光軸方向)位置精密可調(diào)，可使分劃板等效位于全息干板H前一定距離處(如50 m，100 m). 物鏡L2的出射光束為物光垂直照射全息干板H，透鏡L3和L4產(chǎn)生平行光為參考光，平行參考光與物光夾角為45°～60°，BS為分光鏡，M為全反鏡.

圖2 全息片拍攝光路原理圖

光路調(diào)節(jié)要求、拍攝方法以及注意事項與大學物理實驗全息照相相同. 全息干板拍攝面積約為30 mm×30 mm，全息干板曝光以后進行顯影、定影以及漂白處理，得到透明度很好的相位型全息片.

2.2 虛“+”字叉像縱向位置的測量

如圖1(a)所示，用波長635 nm或650 nm半導體激光器(前端無小透鏡，發(fā)散光)和一口徑40 mm左右的成像物鏡形成平行光為再現(xiàn)光，以近似拍攝的角度照射全息照片，透過全息片可看到清晰的“+”字叉像. (思考題2: 全息照片再現(xiàn)光波長與拍攝時參考光波長不同，對再現(xiàn)時虛像位置有何影響？)1位學生拿1根直桿子，讓桿與“+”字叉像重合，另一學生透過全息片看“+”字叉像和桿，眼睛左右移動，可看到“+”字叉像與桿有相對運動，如圖3所示. (思考題3: 眼睛向某一方向移動，相對于直桿，可看到“+”字叉像與眼睛運動方向相同情況，也有相反方向運動情況，為什么？)改變桿與全息片之間的距離，直到眼睛與“+”字叉像與桿之間無相對運動，這時桿與全息片之間的距離就是虛“+”字叉像與全息瞄準鏡的距離，這是瞄準鏡的一個重要參量.

根據(jù)測量的直桿與全息片之間的距離，調(diào)節(jié)分劃板位置，再拍攝全息片，再測量，直到獲得距離為50 m或100 m或其他指定值的全息片.

圖3 “+”字叉像與桿相對運動

2.3 虛“+”字叉像橫向方位角的測量

在射擊瞄準時必須知道目標的距離，就必須把虛“+”字叉像橫向角分量設(shè)計為固定值. 在航海和軍事領(lǐng)域，方位角采用密位(mil)測量很方便. 中國通常采用6 000密位制，即1圓周等分成6 000份，1份為1密位. 1密位可以粗略地看作1 000 m外，正對觀察者的1 m長的物體的角度，如圖4所示. 所以，要準確給出虛“+”字叉像中心圓點、圓環(huán)內(nèi)外徑方位角，瞄準人員在瞄準時就可測出目標距離即瞄準密測距，進行著彈點調(diào)整，如圖5所示，以提高遠距離射擊準確率. 方位角測量方法在本實驗中可用虛像測量法和實像測量法，此方法方便簡單，也可通過由準直管和視場鏡組成的系統(tǒng)進行測量.

圖4 目標尺寸與密位關(guān)系

圖5 著彈點調(diào)整

虛像測量法與前面的測縱向距離方法相同，桿上有長度刻度(水平標尺)，在不同的縱向位置處，測出中心圓點以及圓環(huán)內(nèi)外直徑即可. 由于距離遠，虛像邊緣不清晰，與其他方法相比，誤差最大.

實像測量法就是把全息片前后表面對調(diào)，在人眼觀測方某些位置處放上觀察屏，可看到“+”字叉實像，用尺子直接測量就可得到所需數(shù)據(jù)，由于是近距離觀察測量，比虛像法測量精度高. (思考題4: 在什么情況下，菲涅耳全息片再現(xiàn)時實像和虛像大小相同？)

視場鏡法是正規(guī)的測量方法，虛像的縱向距離和橫向方位角都可以測量，其測量光路如圖6所示，其中視場鏡為BJ-025型，準直管的焦距為500 mm，準直管具有測角功能，半導體激光器和物鏡組成平行光照射全息片，測量時將視度筒與準直管的光軸置于全息片虛“+”字像的中心，調(diào)整光路使視場鏡內(nèi)的虛“+”字像最為清晰，通過準直管和視場鏡里的刻度就可以讀出有關(guān)的測量數(shù)據(jù).

圖6 視場鏡法測量光路示意圖

3 結(jié)束語

全息瞄準鏡中對全息片的質(zhì)量指標要求非常高，除虛像縱向距離和橫向方位角外，還有圖像清晰度、全息片的噪音、衍射效率、全息片透明度、全息圖長時間保存及使用時性能穩(wěn)定等，這些內(nèi)容都可作為該實驗的拓展和延續(xù). 瞄準器中的再現(xiàn)光使用的是波長為635 nm或650 nm的半導體激光，半導體激光器的波長與溫度有關(guān)，這就造成虛“+”字像位置不穩(wěn)定，導致瞄準器失去瞄準功能. 解決該問題的辦法是使用補償光路，即在光路中增加一片補償光柵，使全息瞄準器對半導體激光器波長變化非常敏感[8]. 具有補償光路的全息瞄準系統(tǒng)也可作為研究和創(chuàng)新實驗內(nèi)容.

[1] 李相銀，徐永祥，王海林，等． 大學物理實驗[M]． 北京：高等教育出版社，2016.

[2] 蔣林華. 研究創(chuàng)新型實驗項目的來源、擴展與選擇探析[J]. 物理實驗，2004，24(7):24-27.

[3] 王海林，李相銀，王志興. 物理實驗教學示范中心建設(shè)突出學生科學素質(zhì)培養(yǎng)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2012，29(8)：121-124.

[4] 孫萍，邵明華，葉淼. 空間光調(diào)制器特性及其在數(shù)字全息中的應(yīng)用[J]. 物理實驗，2016，36(11):1-6.

[5] 宋謙，楊王飛，潘永華. 提高菲涅爾全息圖再現(xiàn)像質(zhì)量的方法[J]. 物理實驗，2016，36(7):32-35.

[6] 馬曉航，熊暢，陳楷東，等. 利用白光的雙縫干涉測量介質(zhì)薄膜的折射率[J]. 物理實驗，2016，36(8):35-38.

[7] 黎亞楠，楊鷹，嚴霞，等. 探究不同散射介質(zhì)中全息實像的清晰度[J]. 物理實驗，2015，35(5):37-42.

[8] Murthy N R, Kumar P R, Raghavender N. Design and development of holographic sighting system used for small arm weapons in close quarter battle situations [C]. IEEE DEST 2010,2010:678-682.

[9] 謝敬輝,孫萍. 全息術(shù)的新進展[J]. 北京理工大學學報,2003,23(2):133-139.

[10] 張遠穎,任雪暢，爐慶洪，等. 潛式全息瞄準器的光學系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國激光，2014，41(6):209-214.

[11] 于美文. 光學全息及其應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1984.

[12] 王海林，朱日宏. 全息瞄準器中虛像漂移分析[J]. 中國激光，2011，38(10):217-219.

Researchexperimentoftheprincipleofholographicsight

WANG Hai-lin, HE Jia-le, ZHANG Yan, WANG Hai-yan

(a.Experimental Physics Center; b.School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To make students master the technology and application of holography, and understand the characteristics and function of holographic sight, a research experiment of the principle of holographic sight was designed. The main contents of the experiment were constructing the holographic sight principle optical path, measuring the longitudinal distance and horizontal azimuth angle of the “+” virtual image, and taking a holographic photo which meet the basic requirements of holographic sight.

holography; holographic sight; azimuth angle

2017-06-21

王海林(1961-)，男，江蘇東臺人，南京理工大學物理實驗中心副教授，博士，從事激光應(yīng)用技術(shù)方面的研究工作.

O438.1

A

1005-4642(2017)12-0014-03

尹冬梅]