一种菲涅尔式激光发射镜筒和激光发射器的制作方法

1.本发明涉及激光发射技术领域，特别涉及一种菲涅尔式激光发射镜筒和激光发射器，应用于射击训练中有关激光交战对抗，属于武器训练、武器模拟和仿真相关的领域。


背景技术：

2.部队训练中经常用激光对射来模拟实际战斗，交战训练的双方都在枪、炮上安装了激光发射器，在做发射子弹的动作时，即发射激光，每个参训的人员或车辆上都穿戴或安装有激光接收器，当激光照射到接收器上，被接收器感应出来时，即判该人员或车辆被击中。通过激光交战的方式来进行对抗训练，可以较好地模拟实地的交战效果。
3.在上述训练中的武器(枪或炮)上，都安装了激光发射器，激光发射器中包含了激光发射镜筒。激光束从该发射镜筒中射出，光束在目标所在的距离上形成一个光斑，在该光斑的范围内，接收器可接收到激光的信号。在光斑以外，其实还是有可能有激光辐射，但是由于光强小而使得接收器无反应。因此定义所述光斑为光束中，在一定距离的截面上能被接收器感应的区域。
4.按常规的激光束传输特性，必定都具有一定的发散度。由此导致在射击距离增加时，光斑将变大。在距离较大时，由于光束截面也较大，由于激光的总能量有限，使得大面积截面下的激光照度(或各个点上的强度)下降，由于光斑中心的强度大于边缘外围的强度。在距离很远时，仅有光束中心部分的区域照度(或强度)还能够使得接收器反应，即光斑表现为光束中心较小的区域，随着距离的进一步增大，当中心点的照度(或强度)小于接收器灵敏度时，接收器就没有反应了，也即测不到光斑，即到达了光束照射的极限距离。
5.由上可见激光束的光斑表现为近小远大、再远又变小的特点。在激光交战训练中，如果光斑大了则容易击中目标，若光斑小了则难以击中目标。因此迫切需要一种能发射出一束光斑直径大小不变的激光束，用来进行交战对抗训练。


技术实现要素：

6.为了解决上述激光束光斑近小远大的问题，本发明设计了一种菲涅尔式激光发射镜筒和激光发射器，将一个光束分解为多个光束，多个光束分别形成相应的光斑，作用在远近连续的各个距离上，各个光斑大小相同，由此拟合形成了近似柱状的等径光斑光束。
7.本发明一方面提供一种菲涅尔式激光发射镜筒，其包括镜筒、激光器、激光器压圈和镜头，所述激光器位于所述镜筒内部，靠近所述镜筒的一端，由所述激光器压圈压紧，所述镜头为菲涅尔式镜头，固定在所述镜筒另一端的端口处，所述菲涅尔式镜头一侧是平面，另一侧是光学折射表面。
8.进一步的，所述菲涅尔式镜头包括至少3个分镜头，所述分镜头为同心圆环结构，每个分镜头都有独立的光学折射表面。
9.进一步的，所述分镜头被设置为：调整除最内层圆环以外其他各层圆环宽度，使各分镜头光学折射表面生成的最大光斑的高度趋于一致。
10.更进一步的，每个分镜头的所述最大光斑直径相同。
11.进一步的，每个分镜头的光学折射表面的曲率半径被设置为满足以下条件：
[0012][0013]
其中，a1为激光器发射的激光在菲涅尔式镜头平面侧的入射角，a2为激光在菲涅尔式镜头内的折射角，nl为菲涅尔式镜头材料的光学折射率，a3为光线在分镜头光学折射表面的入射角，a4为光线在分镜头光学折射表面的出射角，a5为穿过菲涅尔式镜头后的出射光线与水平方向的夹角，a6为分镜头的光学折射表面法线与光轴的夹角，ph为分镜头产生的最大光斑高出分镜头折射点的高度，fh为分镜头折射点到最大光斑处在水平方向上的距离，ft为分镜头折射点到光轴的投影距离，rf为分镜头光学折射表面的曲率半径。
[0014]
本发明第二方面，提供一种激光发射器，包括上述技术方案中任一项所述的菲涅尔式激光发射镜筒。
[0015]
本发明装置通过将发射激光束的镜筒的镜头设计为菲涅尔式的透镜，其光学系统的构成简单。该种透镜具有多环光学折射表面的结构，按照菲涅尔镜的加工工艺，具有良好的可实现性；菲涅尔镜中的多环结构，将常规的单一光束分解为多个分光束，多个分光束具有远近不同的作用距离且光斑大小相同，最终合成为一个近似圆柱状等径光斑的光束，有效解决了普通光束在近距离处光斑太小、远距离处光斑太大的问题。由此解决了激光交战中近距离难以击中目标的难题，并促进了训练中武器性能模拟的逼真度提高。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1为现有技术中激光交战对抗训练示意图；
[0018]
图2为现有技术中交战激光发射机中的激光发射镜筒结构示意图；
[0019]
图3为常见发射的激光束传输形态图；
[0020]
图4为本发明实施例菲涅尔式激光发射镜筒外形示意图；
[0021]
图5为图4实施例中应用菲涅尔式镜的激光发射镜筒结构示意图；
[0022]
图6为应用菲涅尔式镜的多环光束分布示意图；
[0023]
图7为图6实施例中多环光束合成效果示意图；
[0024]
图8为等径光斑光束示意图；
[0025]
图9为菲涅尔式镜中某一环光学面形成光束传输的路径计算示意图；
[0026]
图10为图9实施例中某一环光学面形成光束传输的计算示意图；
[0027]
图11为图10的局部放大示意图；
[0028]
附图标记说明：
[0029]
1—激光发射机、2—激光接收器、3—枪、4—发射镜头、5—镜筒、6—激光器压圈、7—激光器、8—菲涅尔式镜头。
具体实施方式
[0030]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0031]
如图1所示，在激光交战对抗训练中，所有对抗人员所持武器上都安装了激光发射机1，可以发射激光来模拟子弹的射击。同时每个人也都穿戴装有激光接收器2的武装带，头盔上也会装有激光接收器2。交战射击时，激光发射机1向对方发出激光束。如果操枪准确，则激光束可照射到对方身上，被对方所穿武装带上的激光接收器2感应，即可发出被击中的信号，告知被击中者受伤或退出战斗。
[0032]
在这种常见激光发射机中，主要部件为激光发射镜筒，如图2所示。激光发射镜筒包含有发射镜头4、镜筒5、激光器压圈6和激光器7。激光器7安放在镜筒中心，由激光器压圈6通过螺纹压紧。发射镜头4胶结在镜筒5的另一端的圆柱面内。激光器发出的发散激光经发射镜头4汇聚，激光束压缩成较小发散角的激光束，向前传播，射向目标。
[0033]
对于激光交战系统中，激光束照射到对方身上后，如果激光的强度大于接收器2的灵敏度，则该接收器就能有感应。因此，将激光束中照射强度大于接收器灵敏度的区域称为光斑。一般在光斑以外的附近区域还是存在激光辐射，只是其能量已经比较弱，不能使得接收器感应而已。对于在交战中的双方，能主观感受到的是光斑，若光斑大了则容易打上对方，反之则难以打中对方。
[0034]
通常任何一束发射的激光束中，都存在一定的发散角，发散角越小则需要复杂的光学系统来实现，相应的成本就越昂贵。在一般的光学系统中，任何复杂的镜头最终都能等效为一个固定单焦距的理想单镜头。
[0035]
在常见的激光束中，其传输过程如图3所示，激光束离开发射镜筒后由于其扩散的范围小，能量密度高，随着距离的增加光斑逐步增大。当到达一定的距离后，如图中l4处，光斑达到最大值。在l4以后的距离上，虽然光束还在扩大，但是由于面积增大后，激光能量有限，使得激光照射能量密度降低，接收器可探测的区域变小，即光斑就开始变小。在各处的光束截面上，其光斑的能量一般为中心强，边缘弱的分布状态，如附图3中的右图。当距离进一步增大，光束截面中能量照度继续变小，相应的光斑也变小。
[0036]
在图3中，激光能量辐射区域在两条虚线s0间。将各距离处光斑的边缘连成一条曲线，形成光束中光斑边缘的包络线s。在l4距离处，有最大光斑d4。距离l4的数值主要与发射镜头4的焦距有关，其焦距越短，光束越发散，其对应的最大光斑距离l4就越近，反之则越
远。其激光束光斑整体样式为近小远大、再变小的形式，有一个距离上的光斑尺寸最大。这种棒槌形光斑光束由于其光学系统参数不同可表现为粗短型或细长型。通过单焦距镜头系统发射的激光束都表现出这种棒槌形光束特性。
[0037]
在激光交战对抗中，上述远近大小不等的光斑，非常不利于正常对抗训练，容易出现近距离小光斑不容易打中目标(尤其是当光斑尺寸小于两个接收器的间距时，光斑打在两个接收器中间，则没有接收器能够感应到激光，而错误地判断没有命中目标)，而远距离大光斑太容易打中目标的问题。
[0038]
为了改变上述光斑各距离不等的问题，本实施例设计了一种菲涅尔式的激光发射镜筒，其主要功能是将一个独立的镜头分解为多个镜头，各个分镜头为环形光学面结构，再集成在一个镜头上，也即该镜头具有多环光学结构，如图4所示。通过该镜筒发射的激光束，可形成在远近距离上都有大小相同尺寸的光斑。
[0039]
包括镜筒、激光器、激光器压圈和镜头，所述激光器位于所述镜筒内部，靠近所述镜筒的一端，由所述激光器压圈压紧，其特征在于，所述镜头为菲涅尔式镜头，固定在所述镜筒另一端的端口处，所述。
[0040]
如图5所示，菲涅尔式激光发射镜筒包含了菲涅尔式镜头8、镜筒5、激光器压圈6和激光器7。激光器7安放在镜筒内部靠近镜筒5的一端，由激光器压圈6压紧，可选的，通过螺纹压紧。菲涅尔式镜头8位于镜筒5的另一端的端口处，菲涅尔式镜头8一侧是平面，另一侧是光学折射表面。激光器7发出的发散激光经菲涅尔式镜头8折射汇聚，激光束被分解成多个不同发散角的激光束，向前合成传播，射出镜筒。
[0041]
菲涅尔式镜头包括至少3个分镜头，所述分镜头为同心圆环结构，每个分镜头都有独立的光学折射表面，所述光学折射表面的曲率半径各不相同。如图4所示，菲涅尔式镜头8包含多个同心圆环结构，每个圆环结构相当于一个有独自参数特性的分镜头，每个分镜头所产生的光束参数都不相同。每个环形分结构都具有一个独立光学折射表面，镜头中心部分的光学表面曲率半径为r0，向外依次为r1、r2。。。rn。。。，最外围的一环曲率半径为rm。
[0042]
在图5中，各环分别产生不同角度的散射，如外环光学面所产生的光束形成较大发散角，中心部位的环形光学面则形成较小的发散角光束。
[0043]
较大发散角的光束，在近处可形成一个大尺寸的光斑，但是由于光束发散程度大，随着传输距离的增加其能量照度迅速下降，因此该光束在近处就可得到一个最大光斑，并且随着距离增加而光斑迅速减小。其形态相当于将图3中的光束进行了轴向的尺寸缩短，等效为粗短的棒槌形。
[0044]
如图6所示，通过控制各个环形结构部分对光束的发散方向，形成多个光束的组合光束。各个环的光学面依次生成最大光斑点为p1、p2、p3、。。。pn。。。pm
‑
1和pm的光束。图中左侧的光斑弥补了右侧光束在近距离的光斑空缺(光斑小，外围能量不足)。通过这一系列光束的组合作用，在近距离上也可得到较大光斑的光束，且中间距离区间也得到了光斑补充，弥补相应的光斑缩小空缺。
[0045]
因此分镜头被设置为：调整除最内层圆环以外其他各层圆环宽度，使各分镜头光学折射表面生成的最大光斑的高度趋于一致。
[0046]
具体的，将每个光学环所产生的分光束强度通过设计该光学环的宽度来进行调整，宽度加大则可使得通过相应环的光束能量增多。由此使得p1、p2、p3、。。。pn。。。pm
‑
1和pm
的高度都趋于相同。因此，最终合成光束所形成的光斑大小的包络线如图7中的g所示。
[0047]
如图8所示，最终获得的以包络线g所构成的光束，表现出了在远、近距离的长区域空间中具有大致相同大小尺寸的光斑特性，其光斑直径大致为φd。此特性大大弥补了如图3中常见光束在近距离上光斑变小的问题，且在常规的交战距离上都有大致相同的光斑，能达到了更合理的命中效果。
[0048]
为了达到上述的合成光束效果，本实施例先将光束分解为多个分光束，并将分光束照射到各自对应的位置上。因此应对各个环形光学结构进行分别设计，使得通过该环的光束方向照射到规定的距离上，形成相应的光斑。如图9所示，按整个光束分解分配的要求，在菲涅尔式镜的某一环上，其相应产生的光束投射的方向为p点，则其结构参数符合相应的光学原理。
[0049]
如图6所示，本实施例在设计时，将光束预先在l1、l2、l3、。。。、lm距离上分解为m个分光束，各个分光束在相应距离上产生最大光斑p1、p2、p3、。。。、pm，这些最大光斑尺寸都近似相同。
[0050]
在图9中，本实施例的菲涅尔式镜的某一环所折射的光束，按总体布局要求将投射到距离lp处的p点，产生相应的分光束。通过下述方法对该环进行光学结构的参数设计。
[0051]
在图9中，o为激光的光源点。菲涅尔式镜头一侧为平面，另一侧为多环光学折射面结构。c为菲涅尔式镜的中心点，图中f处的倾斜短线即为产生折射的环形光学表面，该倾斜短线的中点为f，从激光光源点o所发射出的光线经f折射后，将直线射出到达p点。e点为从光源o发出到达f点的光线，与透镜左侧光学面的交点。h点为距离lp处和f点同高度的点。
[0052]
角度a1为初始光线oe和透镜左侧光学面法线的夹角；角度a2为第一次折射光线ef和透镜左侧光学面法线的夹角。设菲涅尔式镜材料的光学折射率为nl，由于空气的折射率为1，根据光线折射原理，有如下关系：
[0053]
sin(a1)＝nl*sin(a2)
[0054]
在图10中，光线ef经环形表面折射，折射光线为fp。同理根据折射原理，折射角有如下关系：
[0055]
sin(a4)＝nl*sin(a3)
[0056]
同时根据p点的位置数据,即ph为p点和f点高差，fh为p点到f点的水平距离，可知：
[0057]
tan(a5)＝ph/fh
[0058]
a6＝a4 a5
[0059]
f点法线和主光轴交点为r，由法线的性质可知rf线段即为该环光学表面的曲率半径，f点到主光轴的高度为ft。则有：
[0060]
sin(a6)＝ft/rf
[0061]
在图11中，在e点和f点作水平辅助线，根据平行线内错角关系，可知：
[0062]
af＝a2
[0063]
a6＝ac＝af a3
[0064]
因此：
[0065]
a6＝a2 a3
[0066]
汇总上述各式，得关系式组：
[0067][0068]
其中，a1为激光器发射的激光在菲涅尔式镜头平面侧的入射角，a2为激光在菲涅尔式镜头内的折射角，nl为菲涅尔式镜头材料的光学折射率，a3为光线在分镜头光学折射表面的入射角，a4为光线在分镜头光学折射表面的出射角，a5为穿过菲涅尔式镜头后的出射光线与水平方向的夹角，a6为分镜头的光学折射表面法线与光轴的夹角，ph为分镜头产生的最大光斑高出分镜头折射点的高度，fh为分镜头折射点到最大光斑处在水平方向上的距离，ft为分镜头折射点到光轴的投影距离，rf为分镜头光学折射表面的曲率半径。
[0069]
根据对光束作用范围、距离大小等要求，以及透镜大小、材料等参数，代入上述算式，求解在各个高度ft上对应光学面的曲率半径rf，即可获得本实施例透镜的光学结构数据。以此透镜进行激光束的传输，即能得到等径光斑的光束效果。
[0070]
在图7中，合成光束的光斑轮廓包络线g有一定的波浪起伏，并非理想的一条直线。该包络线的波浪数量和起伏程度，随着分光束数量的增加而得到改善。当分光束数量增加，合成光束具有更加细腻的拟合效果，包络线将会表现得更平直，输出光束的光斑效果就更好。因此，在设计菲涅尔镜时，增加环形光学面的数量，使得环形结构微小化、精细化，可得到优化的柱状光斑光束。
[0071]
菲涅尔镜中的多环结构，将常规的单一光束分解为多个分光束，多个分光束具有远近不同的作用距离且光斑大小相同。
[0072]
本实施例所产生系列分光束，其最终合成为一个近似圆柱状等径光斑的光束，有效解决了普通光束在近距离处光斑太小、远距离处光斑太大的问题。由此解决了激光交战中近距离难以击中目标的难题，并促进了训练中武器性能模拟的逼真度提高。
[0073]
本发明还提供一种激光发射器实施例，包括上述技术方案中任一项所述的菲涅尔式激光发射镜筒。
[0074]
上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。