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。