全息瞄准镜原理研究实验

王海林，何佳竻，张 言，王海燕

(南京理工大学 a.大学物理实验中心；b.电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

全息瞄准镜原理研究实验

王海林a，何佳竻b，张 言a，王海燕a

(南京理工大学 a.大学物理实验中心；b.电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

为了让学生掌握全息照相技术，了解全息照相的应用及最先进的瞄准镜特性和功能，设计了全息瞄准镜原理研究实验. 实验内容主要为搭建全息瞄准镜原理光路，测量所拍全息片“+”字叉虚像纵向距离和横向方位角，拍出满足全息瞄准镜基本要求的全息片. 该实验可以作为研究性、创新性实验开设，并可以做一定的拓展和延续，使学生提前接受科研基础训练.

全息照相；全息瞄准镜；方位角

全息照相实验是大学物理实验中的经典实验，含有丰富的物理学发展史及物理学概念[1]，是其他任何物理实验不能相比的. 英国物理学家盖柏于1948年提出全息概念并于1971年获得了诺贝尔物理学奖. 1960年激光的出现促进了全息照相的发展和完善，激光学在20世纪后半叶的40年内共4次11人获诺贝尔物理学奖. 学生通过调节光路、拍全息照片、显影定影处理、全息照片再现，看到了十分逼真的立体像. 虽然实验时间约3 h，但实验最后留给学生的往往就是一张立体像，对全息照相所包含的激光、单模、单色光、光波、波的叠加、相干长度、干涉、衍射、物光、参考光、再现光、防振、抗振平台、感光乳胶、显影定影等重要概念往往印象不深，对全息照相技术的应用更不清楚，没有达到物理实验教学目的. 在大学物理实验课程结束后，学生可继续进入开放性实验室进行创新和研究性实验，其目的是让学生尽早接受科研基础训练，培养学生创新精神，提高学生科研能力与实践能力[2-7]. 研究与创新性实验内容必须以完成的物理实验内容为基础，所需仪器设备及元器件为实验室的常规装配，既可以巩固基础知识又能够学习新知识，具有研究性和创新性，还要考虑到学生的专业和兴趣. 本文介绍以全息照相实验为基础，让学生完成一项研究与创新实验——全息瞄准镜原理实验，经过2组学生实验，取得了很好的效果，达到了实验开设的目的.

1 实验简介

全息瞄准镜工作原理如图1(a)所示，再现光为半导体激光经光学系统后产生的平行光，波长通常选择635 nm或650 nm. 再现光照射全息片H ，全息片H的1级衍射波产生的“+”字叉虚像位于H右边目标平面上，人眼位于H的左边. 瞄准时，只要看到“+”字叉虚像中心与目标重合，即实现了精确瞄准. 也可以说看到的“+”字叉虚像中心位置就是着弹点位置. 该瞄准镜使用时不影响眼睛观看目标的视野，双眼舒适瞄准，瞄准变得更快更容易[4-6].

(a)工作原理图

(b) 实物照片 图1 全息瞄准镜

图1(b)为全息瞄准镜实物照片. 全息瞄准镜是瞄准镜家族里的最新一代产品，已被很多国家的部队列装,应用场景广泛，被誉为现代瞄镜的一个革命. (思考题1 : 全息瞄准镜与传统的光学瞄准镜，特別是红点瞄准镜相比，有哪些优特点.)

2 实验内容

2.1 全息片拍摄

全息瞄准镜中全息片为菲涅耳型全息图，拍摄原理光路如图2所示，与多数高校大学物理实验中光路类似[1,7]. 光源为单模He-Ne激光，波长为632.8 nm，透镜L1扩展光束照射分划板，分划板由毛玻璃和贴在表面带有“+”字叉图型的菲林片组成，分划板位于物镜L2的焦点附近，分划板纵向(光轴方向)位置精密可调，可使分划板等效位于全息干板H前一定距离处(如50 m，100 m). 物镜L2的出射光束为物光垂直照射全息干板H，透镜L3和L4产生平行光为参考光，平行参考光与物光夹角为45°～60°，BS为分光镜，M为全反镜.

图2 全息片拍摄光路原理图

光路调节要求、拍摄方法以及注意事项与大学物理实验全息照相相同. 全息干板拍摄面积约为30 mm×30 mm，全息干板曝光以后进行显影、定影以及漂白处理，得到透明度很好的相位型全息片.

2.2 虚“+”字叉像纵向位置的测量

如图1(a)所示，用波长635 nm或650 nm半导体激光器(前端无小透镜，发散光)和一口径40 mm左右的成像物镜形成平行光为再现光，以近似拍摄的角度照射全息照片，透过全息片可看到清晰的“+”字叉像. (思考题2: 全息照片再现光波长与拍摄时参考光波长不同，对再现时虚像位置有何影响？)1位学生拿1根直杆子，让杆与“+”字叉像重合，另一学生透过全息片看“+”字叉像和杆，眼睛左右移动，可看到“+”字叉像与杆有相对运动，如图3所示. (思考题3: 眼睛向某一方向移动，相对于直杆，可看到“+”字叉像与眼睛运动方向相同情况，也有相反方向运动情况，为什么？)改变杆与全息片之间的距离，直到眼睛与“+”字叉像与杆之间无相对运动，这时杆与全息片之间的距离就是虚“+”字叉像与全息瞄准镜的距离，这是瞄准镜的一个重要参量.

根据测量的直杆与全息片之间的距离，调节分划板位置，再拍摄全息片，再测量，直到获得距离为50 m或100 m或其他指定值的全息片.

图3 “+”字叉像与杆相对运动

2.3 虚“+”字叉像横向方位角的测量

在射击瞄准时必须知道目标的距离，就必须把虚“+”字叉像横向角分量设计为固定值. 在航海和军事领域，方位角采用密位(mil)测量很方便. 中国通常采用6 000密位制，即1圆周等分成6 000份，1份为1密位. 1密位可以粗略地看作1 000 m外，正对观察者的1 m长的物体的角度，如图4所示. 所以，要准确给出虚“+”字叉像中心圆点、圆环内外径方位角，瞄准人员在瞄准时就可测出目标距离即瞄准密测距，进行着弹点调整，如图5所示，以提高远距离射击准确率. 方位角测量方法在本实验中可用虚像测量法和实像测量法，此方法方便简单，也可通过由准直管和视场镜组成的系统进行测量.

图4 目标尺寸与密位关系

图5 着弹点调整

虚像测量法与前面的测纵向距离方法相同，杆上有长度刻度(水平标尺)，在不同的纵向位置处，测出中心圆点以及圆环内外直径即可. 由于距离远，虚像边缘不清晰，与其他方法相比，误差最大.

实像测量法就是把全息片前后表面对调，在人眼观测方某些位置处放上观察屏，可看到“+”字叉实像，用尺子直接测量就可得到所需数据，由于是近距离观察测量，比虚像法测量精度高. (思考题4: 在什么情况下，菲涅耳全息片再现时实像和虚像大小相同？)

视场镜法是正规的测量方法，虚像的纵向距离和横向方位角都可以测量，其测量光路如图6所示，其中视场镜为BJ-025型，准直管的焦距为500 mm，准直管具有测角功能，半导体激光器和物镜组成平行光照射全息片，测量时将视度筒与准直管的光轴置于全息片虚“+”字像的中心，调整光路使视场镜内的虚“+”字像最为清晰，通过准直管和视场镜里的刻度就可以读出有关的测量数据.

图6 视场镜法测量光路示意图

3 结束语

全息瞄准镜中对全息片的质量指标要求非常高，除虚像纵向距离和横向方位角外，还有图像清晰度、全息片的噪音、衍射效率、全息片透明度、全息图长时间保存及使用时性能稳定等，这些内容都可作为该实验的拓展和延续. 瞄准器中的再现光使用的是波长为635 nm或650 nm的半导体激光，半导体激光器的波长与温度有关，这就造成虚“+”字像位置不稳定，导致瞄准器失去瞄准功能. 解决该问题的办法是使用补偿光路，即在光路中增加一片补偿光栅，使全息瞄准器对半导体激光器波长变化非常敏感[8]. 具有补偿光路的全息瞄准系统也可作为研究和创新实验内容.

[1] 李相银，徐永祥，王海林，等． 大学物理实验[M]． 北京：高等教育出版社，2016.

[2] 蒋林华. 研究创新型实验项目的来源、扩展与选择探析[J]. 物理实验，2004，24(7):24-27.

[3] 王海林，李相银，王志兴. 物理实验教学示范中心建设突出学生科学素质培养[J]. 实验技术与管理，2012，29(8)：121-124.

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[5] 宋谦，杨王飞，潘永华. 提高菲涅尔全息图再现像质量的方法[J]. 物理实验，2016，36(7):32-35.

[6] 马晓航，熊畅，陈楷东，等. 利用白光的双缝干涉测量介质薄膜的折射率[J]. 物理实验，2016，36(8):35-38.

[7] 黎亚楠，杨鹰，严霞，等. 探究不同散射介质中全息实像的清晰度[J]. 物理实验，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.

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[10] 张远颖,任雪畅，炉庆洪，等. 潜式全息瞄准器的光学系统设计[J]. 中国激光，2014，41(6):209-214.

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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，江苏东台人，南京理工大学物理实验中心副教授，博士，从事激光应用技术方面的研究工作.

O438.1

A

1005-4642(2017)12-0014-03

尹冬梅]