Лазерные полупроводниковые излучатели для целеуказателей и дальномеров

В современной технике широко используются малогабаритные лазерные целе­указатели (ЛЦ) и лазерные дальномеры (ЛД) на базе лазерных полупроводниковых излучателей (ЛПИ) [1]. Основные параметры ЛПИ, используемых для построения ЛЦ, приведены в таблице 1 [2–4]. Внешний вид типичных образцов указанных ЛПИ дан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид типичных лазерных полупроводниковых излучателей, используемых в ЛЦ и дальномерах

Примечания: l — рабочая длина волны; Dl — ширина линии излучения; Р — мощность излучения; I_н — рабочий ток накачки; I_пор — пороговый ток; U — напряжение питания; q — угол подсветки.

Рис. 2. Характер подсветки цели лазерным осветителем-целеуказателем при формировании «точечного» и широкоугольного пятна подсветки

ЛЦ применяются в прицельных комплексах, состоящих из наголовного прибора ночного видения (ПНВ) (очки ночного видения или ночной монокуляр) для наблюдения в ночных условиях, и ЛЦ, устанавливаемого на оружии и создающего световое «точечное» пятно подсвета на цели [5, 6]. И цель, и пятно на ней наблюдаются через очки (монокуляр) ночного видения. ЛЦ устанавливается параллельно стволу оружия и пристреливается совместно с ним. При этом положение ЛЦ регулируется с помощью системы выверки, благодаря чему пули точно попадают в цель, на которую наведено пятно подсвета. Такой прицельный комплекс исключает необходимость в прицеливании: достаточно лишь придать оружию положение, при котором пятно подсвета совместится с целью. Прицельная стрельба может осуществляться из любого положения оружия, в том числе и при движении. Такие прицельные комплексы используются при стрельбе из пистолетов, автоматов, гранатометов, охотничьего и спортивного оружия любых типов. Первоначально в ЛЦ использовались полупроводниковые лазеры, работающие на длине волны 820–850 нм, чтобы подсвет осуществлялся скрытно, а излучение на таких длинах волн наблюдалось бы только в очки ночного видения. На практике, во-первых, такое излучение все равно видно со стороны цели в виде красной точки, во-вторых, это обстоятельство даже полезно, т. к. производит на противника сильное психологическое воздействие. Кроме того, работа на указанных длинах волн исключает применение комплекса в дневных условиях, если при этом не используются очки ночного видения с диафрагмированными объективами. Поэтому за последние годы широкое распространение получили ЛЦ на базе лазерных излучателей, работающих на длинах волн 532 нм и 635–670 нм.

Рис. 3. Целеуказатель лазерный ночной ЦЛН-1К (вверху); установка на оружии (внизу)

Для прицельного комплекса с таким излучателем можно наблюдать пятно подсвета на цели днем невооруженным глазом, а ночью — в очки ночного видения на еще большей дальности, чем для случая применения ЛЦ с длиной волны 820–850 нм, так как чувствительность фотокатода электронно-оптического преобразователя очков ночного видения на длине волны 532 нм в три-четыре раза, а в области спектра 635–670 нм — в полтора-два раза выше, чем в области спектра 820–850 нм.

Рис. 4. Целеуказатели лазерные: а) ЦЛН-2К; б) «Альфа-7115»; в) LTAD-DSNС; г) ЦУЛ-01S; д) ЦУЛ-02М

ЛЦ может иметь объектив с переменным фокусным расстоянием или с возможностью расфокусировки. Это позволяет использовать ЛЦ как в режиме целеуказания («точечное» пятно подсветки), так и в режиме широкого угла подсветки.

Рис. 5. Целеуказатели лазерные:
а) ЦЛ-02, ЦЛ-03, ЦЛ-05, ЦЛ-06;
б) ЦЛ-09, TSL-10, ЦЛ-11

Характер подсветки цели лазерным осветителем-целеуказателем при формировании «точечного» и широкоугольного пятна подсветки представлен на рис. 2.

Рис. 6. Целеуказатели лазерные:
а) AIM-2000;
б) VITAL;
в) IR-18 (сверху), IR-16G (снизу);
г) GCP-3;
д) ATILLA

Внешний вид типичных образцов ЦЛ дан на рис. 3–7, а прицельных комплексов на их основе — на рис. 8, 9. На рис. 6в показан миниатюрный ЛЦ IR-18, монтируемый на пальце оператора и служащий для обеспечения ночной посадки вертолетов. Угол подсвета этого целеуказателя может регулироваться в пределах от 0,5 мрад до 10° [7]. Чтобы руки оператора при работе с ЛЦ оставались свободными, используется модель ЛЦ IR-16, монтируемая на подбородке шлема оператора (рис. 6в) [7].

Рис. 7. Целеуказатели лазерные:
а) GB100;
б) GBS8300S;
в) BS8200S (3-лучевой);
г) BS100X;
д) 780

При этом ЛЦ может по выбору пользователя излучать ближнее ИК-излучение на длине волны 830 нм (модель IR-18, IR-16), зеленый (модель IR-18G, IR-16G) или красный свет (модель IR-18R) [7]. Основные параметры типичных современных ЛЦ приведены в таблице 2 [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19], а ЛЦ для визуального дневного наблюдения — в таблице 3 [5, 12, 20, 24, 32–37].

Рис. 8. Прицельный комплекс, состоящий из целеуказателя лазерного ЦЛН-1К и очков ночного видения ПН-14К

Первоначально такие ЛЦ применялись с излучением красного цвета (длина волны 635–670 нм). Но в последние годы стали использовать ЛЦ с излучением зеленого цвета (длина волны 532 нм), т. к. зеленый цвет лучше воспринимается глазом. Конструкция ЛЦ не зависит от длины волны. В ЛЦ могут быть установлены ЛПИ с излучением ИК или видимой области спектра.

Рис. 9. Прицельный комплекс, состоящий из целеуказателя лазерного «Альфа-7115» и монокуляра ночного видения «Альфа-9022»

Примечания: D — дальность действия; l — рабочая длина волны; Р — мощность излучения; q — угол подсветки; U — напряжение питания.

Примечания: D — дальность действия; l — рабочая длина волны; Р — мощность излучения; q — угол подсветки; U — напряжение питания; (д) — день; (н) — ночь.

Рис. 10. Целеуказатели лазерные на оружии:
а) PL-1 на пистолете Макарова;
б) GB800M на пистолете Beretta M92F (слева), GB800M на автомате М4 (справа);
в) GB8300S на пистолете;
г) BS100X на различных видах оружия;
д) 780 на гранатомете М1 (слева); на винтовке (справа); на пистолете (в середине)

ЛЦ может монтироваться как на стволе, так и под стволом оружия [5, 7, 8]. Возможность установки ЛЦ на различных видах оружия иллюстрирует рис. 10. ЛЦ могут использоваться в сочетании с дневным прицелом, образуя дневной прицельный комплекс. Внешний вид таких комплексов представлен на рис. 11 [20], а их основные параметры — в таблице 4 [20].

Рис. 11. Прицельные комплексы:
а) ПОСП 4×24 с ЛЦУ-ОМ;
б) ПОСП 6×42 с ЛЦУ-ОМ;
в) ПОСП 4-8×42 с ЛЦУ-ОМ

Такие прицельные комплексы позволяют выполнить снайперский выстрел на большой дальности или вести оперативную стрельбу на небольшие расстояния по пятну встроенного ЛЦ. Питание комплекса обеспечивается от литиевых элементов CR123A. Прицельные комплексы с индексом «В» устанавливаются на карабины «Сайга» и «Вепрь», а без индекса «В» — на карабины ОП СКС, «Тигр».

Примечания: Г — видимое увеличение; 2w — угол поля зрения; Ø_св.об — световой диаметр объектива; источник питания — литиевый элемент CR123A; подсветка дальномерной шкалы — светодиодная (красная и зеленая).

Малые масса, габариты и расходимость излучения ЛЦ в сочетании с простотой модуляции его излучения по току накачки позволяют превратить ЛЦ в портативный встроенный в ПНВ дальномер. В частности, в ОАО РОМЗ разработан такой осветитель-дальномер, который может в широком угле подсвета обеспечивать наблюдение, а в узком — измерение дальности до объекта при создании на нем «точечного» пятна подсвета [5, 8]. Такое устройство согласуется с любым ПНВ, имеющим стандартное штекерное гнездо ¹/₄ дюйма. Питание осветителя-дальномера обеспечивается от встроенных аккумуляторов типа 10Д-0,26С с общим напряжением 12 В. Масса — 0,9 кг (без элементов питания), габаритные размеры 220×180×50 мм. Диапазон измеряемых дальностей — 5–150 м при погрешности измерения 1–2 м. Зарубежные ПНВ имеют портативные встраиваемые лазерные дальномеры (ЛД) на базе ЛПИ. Например, наблюдательный ПНВ МС31 фирмы Litton имеет ЛД, обеспечивающий измерение дальности до 1000 м с точностью ±5 м [5]. При этом масса всего ПНВ вместе с ЛД не превышает 1,3 кг, а его габариты составляют 170×140×70 мм. Портативный ПНВ фирмы Night Vision Equipment имеет также встроенный ЛД, измеряющий дальность до 5000 м [5].

В современной технике получили широкое распространение лазерные модули [21–24]. Они содержат коллимирующую оптическую систему, сопряженную в одном корпусе с ЛПИ и блоком его накачки — драйвером, обеспечивающим стабильность и регулируемый уровень мощности излучения. Модули могут иметь любой источник питания, излучать в видимой (532, 635, 650 нм) и в ИК-области спектра (808, 830, 850, 980 нм). Возможны и другие рабочие длины волн. Охлаждение маломощных модулей, используемых для ЦЛ, осуществляется за счет естественного отвода тепла через корпус модуля. Мощные модули могут дополнительно комплектоваться теплоотводом. Возможно изготовление модулей с сетевым адаптером. Оптические характеристики лазерных модулей являются стандартными для всех моделей фирмы-производителя. Оптика лазерных модулей может формировать не только «точечное» пятно подсветки, но и прямую линию, перекрестие и др. Параметры типичных лазерных модулей представлены в таблице 5 [21–24], а их характерный внешний вид — на рис. 12.

Рис. 12. Лазерные модули:
а) лазерные модули «ФТИ-Оптроник»;
б) FLEXPOINT;
в) фокусируемые модули Coherent;
г) миниатюрные модули Coherent

Примечания: D — дальность действия; l — рабочая длина волны; Р — мощность излучения; q — угол подсветки; U — напряжение питания.

Для построения ЛД используются ЛПИ, работающие в импульсном режиме (табл. 6) [2–4] или в непрерывном режиме с высокочастотной модуляцией (табл. 1). В первом случае ЛПИ используются в импульсных ЛД, во втором — в фазовых ЛД. Импульсные ЛД, работающие в ИК-области спектра (850, 905 нм), используются чаще всего в качестве самостоятельных приборов, а фазовые — как составная часть геодезических приборов (нивелиров и тахеометров). Такие геодезические ЛД используются одновременно в качестве маркеров-целеуказателей и работают в красной области спектра (635, 650, 670 нм). На рис. 13а представлен цифровой нивелир LEICA DNA фирмы Leica Geosystems [25].

Рис. 13. Геодезические приборы со встроенными лазерными целеуказателями-дальномерами:
а) цифровой нивелир LEICA DNA;
б) электронный тахеометр TPS1200

Примечания: l — рабочая длина волны; Dl — полуширина спектра; Р_и — мощность излучения в импульсе; F — частота; t_и — длительность импульса излучения; I_н — ток накачки; U — рабочее напряжение; Q — угол расходимости излучения.

Прибор обеспечивает высокоточное нивелирование I–II класса (модель DNA03), наблюдение за деформациями и любые другие работы, требующие точных отметок. Прибор имеет встроенный ЛД, обеспечивающий точность измерения расстояний 10 мм на дальности 20 м. Масса прибора — 2,8 кг (с батареей питания), диапазон электронного измерения расстояний 1,8–110 м, оптического — 0,6 м–∞, среднеквадратическая ошибка (СКО) для электронных измерений на инвариантные/стандартные рейки составляет 0,3/1,0 мм, для оптических измерений — 2 мм. Электронный тахеометр Leica TPS+ фирмы Leica Geosystems [26] (рис. 13б) имеет также встроенный ЛД, обеспечивающий измерение по отражателю от 3500 до 7500 м с точностью 1–1,5 мм. Дальность измерения без применения отражателя составляет 400–1000 м с точностью 2–4 мм. При этом размер лазерного пятна подсветки на расстоянии 50 м составляет 8×20 мм. Масса прибора с аккумулятором и трегером (штативом) составляет 5,2 кг. На рис. 14а представлены лазерные рулетки Disto фирмы Leica Geosystems [27]. Точность измерений (модель D8) на дальностях 0,05–200 м составляет ±1 мм. Масса прибора D8 с батареями не превышает 205 г, габариты 143×55×30 мм. Прибор может обеспечивать измерение расстояний до труднодоступных объектов благодаря встроенному датчику угла наклона 45° и любой наклон. Возможно точное вычисление площадей и объемов, сложение и вычитание расстояний, измерения от углов и краев. Цифровой видоискатель с четырехкратным увеличением позволяет точно наводиться на цель в условиях, когда лазерный луч не виден. Результаты измерений могут быть переданы в персональный компьютер. На рис. 14б показан миниатюрный импульсный ЛД для охотников и спортсменов Laser 1000 AS [28]. ЛД измеряет дальность в пределах 10–915 м с точностью до 0,5 м. Визир ЛД имеет шестикратное увеличение и угол поля зрения 7,5°. Масса ЛД составляет порядка 200 г, габариты 118×73×41 мм.

Рис. 14. Миниатюрные лазерные дальномеры:
а) лазерные рулетки Disto для строительных работ;
б) лазерный дальномер Laser 1000 AS для охотников и спортсменов

На рис. 15а показан малогабаритный импульсный ЛД PLRF с цифровым компасом фирмы Vectronix [29]. В нем используется ЛПИ с длиной волны 905 нм 1-го класса безопасности для зрения. Расходимость лазерного излучения составляет 0,3×1,5 мрад, дальность измеряется в пределах 5–2500 м с точностью ±2 м. Визир ЛД имеет шестикратное увеличение и угол поля зрения 6°. Масса ЛД не превышает 620 г, габариты 101×50×125 мм. ЛД имеет встроенный цифровой компас. На рис. 15б показан импульсный ЛД-бинокуляр LRB 3000 PRO фирмы Newcon Optik [30] и он же, стыкованный с ночными монокулярами PVS 14/NVS 14. Рабочая длина волны ЛПИ — 905 нм. ЛД обеспечивает измерение дальностей в пределах 20–3000 м с точностью ±1 м, скоростей объектов наблюдения в пределах 5–400 (5–250) км/ч с точностью ±1 км/ч. Визир ЛД имеет семикратное увеличение и угол поля зрения 6°. ЛД содержит цифровой магнитный компас, позволяет измерять углы по азимуту и дальность до семи целей. Масса ЛД составляет 0,97 кг, габариты 158×145×69 мм. На рис. 15в [31] представлен автоматизированный прицел — импульсный ЛД «Рысь-ЛД». Прицел содержит ЛПИ с длиной волны 905 нм, обеспечивает измерение дальности в пределах 50–700 м с точностью 5 м. В прицеле имеется встроенный баллистический вычислитель с пятью баллистиками, обеспечивается автоматический ввод углов прицеливания в диапазоне 1,5° с погрешностью 1’, автоматический ввод боковых поправок до 1°, ввод значений атмосферного давления, направления и скорости ветра и цели, учет температуры воздуха. Прицел крепится к оружию с помощью планки Пикатинни или бокового кронштейна. Увеличение прицела четырехкратное, угол поля зрения — 6°, масса прицела 1 кг, габариты 315×92×68 мм. В ЛД часто используются ЛПИ фирм J. West Company [32], НИИ «Полюс», НПК «Инжект» и др.

Рис. 15. Малогабаритные лазерные дальномеры:
а) Vectronics PLRF;
б) LRB 3000 PRO (слева) и он же, стыкованный с ночными монокулярами PVS 14/NVS 14 (справа);
в) лазерный прицел-дальномер «Рысь-ЛД»

Таким образом, в настоящее время существуют широкие возможности применения ЛПИ в разнообразных ЦЛ и ЛД, работающих как в дневное, так и в ночное время суток.