戰術瞄準鏡具有幾倍鏡的效果（常見光學瞄準鏡原理及對比第三篇）

2023-04-28 19:43:55 5

全息衍射瞄準鏡出現得比較晚，商業化的產品在1996年才問世，但它的瞄準原理其實早已在戰鬥機的第四代平視顯示器（HUD）上得以應用。

全息衍射瞄準鏡的操作方法以及顯示效果都和反射式瞄準鏡差不多，都是把紅點對準目標即可，但是那個「紅點」的產生原理和內部結構卻大相庭徑。

在反射式瞄準鏡上看到的紅點是光源的光照射到分劃板上再經由分光鏡的曲面反射到人眼中形成的虛像。而在全息衍射瞄準鏡上看到的紅點則是用全息攝像/顯像技術產生的分劃板的全息圖像。

全息瞄準鏡的屏幕其實是一塊全息照片（或者叫底片更合適），上面記錄著通過分劃板的透射光波的振幅和位相等全部信息。當然這個分劃板是不會裝在瞄準鏡裡的，它只是在工廠生產全息瞄準鏡時拿來拍攝全息照片用的，全息瞄準鏡的屏幕也就是對分劃板拍攝的一張雷射全息照片。拍攝的方式如圖12所示

圖12，分劃板的全息拍照過程

在拍攝時，從雷射器發出雷射被分光器分為兩束，其中一束經過透鏡組括束並準直成平行光，作為參考光直接照射到全息感光底片上；而令一束光則經過括束後作為照明光照射到分劃板上，從分劃板上的透明部分透過後，再由透鏡校正成平行光，最後也照射到全息感光底片上，這樣就完成了對分劃板的全息圖像的拍攝。在拍攝過程中對整個光路系統中的每個原件的位置、角度以及拍攝環境震動（儘可能減小震動）都有很嚴格的要求。

全息片拍出來了，可是要怎麼才能看到全息圖像呢？這可不是像普通膠捲一樣衝曬出來的。如圖11所示，要讓全息片顯像，需要用一束與拍攝時的參考光相同波長的平行光線作為再現光，以與拍照時照射在全息感光底片上的參考光角度相同的入射角度照射到全息片上，經過衍射後再從全息片的後方射出。而從全息片後方射出的光線就能再現出拍攝時照射在分劃板上的光線落到全息底片時候的信息，包括頻率、方向等等。

圖13，全息片的顯像過程和瞄準原理

人眼就在全息片的後方接收到衍射出的光線時就會被被騙，認為自己看到了分劃板的圖像，但實際上那是全息片的 1級衍射波產生的分劃板的虛像，而人腦則會把它腦補成圖像在進入人眼的光線的反向延長線上。

又因為全息片顯像時從全息片後方射出的光是能完全再現當初拍攝時照射到全息膠片上的光的光路的，而初拍攝時透過分劃板的光線又是經過透鏡調校成平行光後才照射到全息膠片上的，那麼這個光路一被再現，人眼收到的也就是一束平行光，因此人腦同樣感受到了一幅「一束從人眼位置發射的筆直的光線」的圖像。

因為人眼接收到的光線是平行光，那麼瞄準操作是就和普通反射式瞄準鏡一樣，先把那個虛像（也就是光點）的位置調好歸零，然後在瞄準時只要看到了那個光點落在了目標上，也就表示此時與那束虛擬光線平行的機械瞄具瞄準線也已經對準了目標。

反射式瞄準鏡時因為裡面那塊分光鏡的曲面能把照明光源發出的光線反射成平行光，所以人眼才能從哪個方向上都能看到那個紅點，而全息照片只是一個平面，它是如何做到不管從哪個方向上都能看到那個光點的呢？

這就是全息照片的另一個特性了，因為全息膠片上每個感光點都記錄了原始場景的光線的信息。從原理上說，整個場景可以通過任意大小的一部分全息照片還原出來。而人眼在專注於看光點時，實際上只是接收到了全息照片上的某一部分衍射出的光線所攜帶的原分劃板的信息，而從全息照片上的任一部分衍射出的光線都能攜帶相同的信息。所以人眼才能不管從哪個位置上都能看到那個分劃板圖像。

由於全息片是一個純平面，因此理論上不會產生反射式瞄準鏡中因為分光鏡的弧面而出現的視差問題。

圖13是一種典型的全息瞄準鏡——美國L3通訊公司的EOTech全息瞄準鏡的結構原理示意圖。

圖14，EOTech結構原理示意圖

上圖是EOTech的光路示意圖，和前面的顯像原理示意圖相比，圖上除了雷射器、反射鏡、全息照片這些元件外，還多出了一個元件——光柵。之所以要裝這個元件，目的是為了要消除誤差。前面說了全息片是一個純平面，因此不會出現視差，那為什麼還要來消除視差呢？這裡請注意前文是「不會產生反射式瞄準鏡中因為分光鏡的弧面而出現的視差問題」，但是這不代表全息瞄準鏡不會因為其他原因而產生誤差。

（加裝光柵的目的，是為了消除雷射波長變動造成的誤差。雖然理論上全息鏡不會出現視差，但是視差並不是造成實際使用中出現誤差的唯一原因。）

由於EOTech不是實驗室裡的實驗設備，而是注重實用性的商品。因此對它的尺寸規格有一定的要求，不能太大太重。為了使結構緊湊，EOTech上使用的是小巧的半導體雷射器。但是半導體雷射器有個問題，它對環境溫度的變化比較敏感，發出的雷射的波長會隨著環境溫度的變化而變化。前面在全息圖像的顯像那一段裡有說過，要看到包含原分劃板全部信息的圖像，那麼需要用一束與拍攝時的參考光相同波長的平行光線作為再現光，以與拍照時照射在全息感光底片上的參考光角度相同的入射角度照射到全息片上。

波長一致和角度一致，這兩個條件缺一不可，如果波長不同會出現什麼情況樣呢？如圖14所示：

圖15，不同波長的入射光以相同角度進入全息片的效果示意圖

圖15中全息片左側的是紅線是再現光，全息片右側的紅線是再現光與參考光波長一致的情況下的衍射光的光路，而綠色的線則是波長不一致的情況下的衍射光光路。在波長不一致的時候，衍射光的衍射角會發生變化，人眼看到的虛像的位置就會出現在綠線的反向延長線方向上（圖中未畫出），也就是分劃光點會上下偏移，破壞了虛擬光線與槍械瞄準線的平行性，自然也就無法瞄準了。

該如何解決這個問題呢？給雷射器上裝一個恆溫裝置？這個方法理論上是可行的，但是正如前面所說的，作為商品的EOTech瞄準鏡對尺寸規格有一定的要求，你不能讓使用者抱著一個空調去瞄準。那又要怎麼辦呢？我們再回想一下前面說過的全息瞄準鏡的瞄準原理——當人眼看到虛像時，人眼的視線如果和槍械的瞄準線是平行的，那麼人腦補的虛擬光線自然也就和瞄準線平行，此時就是正確的瞄準狀態。也就是說只要保證從全息片後面輸出的衍射光的光路方向的一致性，就可以用於瞄準，而全息片前面的再現光的光路、波長是否與拍照時的參考光一致對能否準確瞄準並不是必要條件。那麼光柵就派上用場了。

圖16，光柵補償示意圖

圖16是在全息片前面加上一個和全息片具有相同空間頻率，且位置平行的透射光柵後的效果示意圖，圖中紅色的線是再現光與參考光的波長、光路均一致狀態下的衍射光路，而藍色和綠色的線則是在波長不一致狀態下的光路。可以看到，由於光柵的存在，使得波長變化時的再現光照射在全息片上的角度也發生了變化，這樣一來，雖然因為波長的變化而導致衍射光的衍射角也發生變化，但是因為再現光的入射角也發生了變化，入射角的變化補償了衍射角的變化，使得最後輸出的衍射光的方向都一致了，這樣人眼就可以看到一個位置穩定的光點的圖像用於瞄準了。

這套系統實際上是個雙光柵系統，因為全息片本身也是一個光柵，用的是色散補償的方法來修正誤差。其中的原理解釋起來比較複雜，不過讀者可以把這個系統想像成圖17所示的兩個互相倒置的三稜鏡，當一束光穿過這兩者時，不論入射光的顏色是什麼樣的（也就是波長不同），這個系統都能輸出方向一致的光線。

圖17，色散補償

在EOTech全息瞄準鏡裡用來補償波長變化的是一塊反射光柵而不是原理圖中的透射光柵。這還是源於商業化的需求，如果採用透射光柵來做補償則會加大整個系統在距離方向和高低方向上的尺寸，而且兩片光柵（補償用光柵和全息片自身）串聯也會影響目標光線的透過率。這裡使用反射式光柵有利於縮短系統光路，控制產品的尺寸，透射光柵和反射光柵在功能上沒有區別。

不過反射光柵和全息片不是平行的，之間存在一定夾角，所以色散補償並不完全。分析表明，當衍射角變化1mrad時，在100m的距離上引起分劃的移動0.1m。當波長漂移 2nm時，未補償時角度變化3.1×10-3rad (對應分劃移動0.31m)，補償后角度變化6.7×10-5rad ( l00m的距離上分劃移動6.7×10-3m )。在400m的距離上，經過補償分劃有2.68×10-2m的移動，這個精度對主要用於近戰的全息瞄準鏡是完全可以接受的。

另外反射光柵在這裡還有另一個作用，就是可以通過對光柵在水平和垂直方向上調節來校正光點圖像的位置。

我們最後再回過頭看看EOTech的示意圖，它的工作過程是這樣的——半導體雷射器發出雷射束，由平面反射鏡反射到準直反射鏡上，再由準直反射鏡將光線做離軸校正成平行光並反射到反射衍射光柵上。經反射衍射光柵反射的光線照射到全息片上，再經過衍射後傳到人眼中，這時人眼就看到產生了原來的分劃板的全息圖像，這個像是像距也是無限遠的虛像。由於全息照片的每一部分都能記錄原分劃板的信息，所以它可以讓觀察者在任意方向上都看到它。在一支已經歸零的EOTech上，如果你能看到那個光點，這就表明你的視線此時和槍械的瞄準線是平行的，所以你只需要把光點對準目標就可以射擊了。

由於瞄準原理和反射式瞄準鏡相同，所以反射式瞄準鏡的優點在全息衍射瞄準鏡身上基本上都有，同時它還擁有反射式瞄準鏡所沒有的一些優點：

（雖然這是廠商大力宣傳的一個賣點，不過關於這一點其實是存在爭議的。全息照片固然存在上述特性，但是全息瞄準鏡對系統中各個元件的安裝精度都有非常嚴格的要求，微米級的偏差都會造成較大的視差。如果EoTech上的全息片都損壞了的話，裡面的雷射器、反射鏡、光柵這些零件也難免發生故障。而且即便除了全息片以外的元件都極為好運的沒有受損，那麼也會因為全息片的尺寸減小，而導致圖像的解析度會隨之降低，因此看到的光點會變得模糊，同樣會影響到瞄準效果。）

全息瞄準鏡也不是十全十美的，它也存在一些不足：

1. 結構複雜，對技術水平要求高，生產成本也因此高昂。

2. 體積、重量相對於反射式瞄準鏡略大，且不易做得更小。目前僅適合安裝在雙手持握的武器上，尚無適用於手槍的型號。

3. 耗電量大，雷射器的連續工作時間較短，在長期野外環境下的備用電池補給存在一定麻煩。

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