автономное лазерное защитное устройство и способ его применения для защиты от нападения

Формула изобретения

1. Автономное лазерное защитное устройство, содержащее корпус с размещенными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом, установленным в корпусе с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено цилиндрической линзой, установленной в корпусе на оптической оси объектива с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o относительно исходного положения, за которое принято такое, в котором главное сечение линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна, в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод, а передний фокус объектива установлен за или перед излучающим торцом его тела свечения.

2. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что объектив выполнен таким образом, что его передний апертурный угол больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна лазерного излучателя.

3. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что лазерный диод выбран с максимальными углами расходимости лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n: 1, соответственно, где n больше или равно двум.

4. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрическая линза закреплена в оправе, установленной в корпусе с возможностью ее поворота вокруг оси объектива и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения.

5. Лазерное устройство по п. 1, отличающееся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта полупроводниковый лазерный диод выбран из условия обеспечения светового потока с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия.

6. Способ защиты от нападения с помощью автономного лазерного защитного устройства, включающий формирование широкого лазерного пучка света видимого диапазона, предварительное обнаружение обезвреживаемого объекта путем его освещения указанным пучком света, преобразование широкого лазерного пучка в более узкий с безопасной плотностью энергии и наведение его на глаза обезвреживаемого объекта, отличающийся тем, что для обнаружения объекта в плоскости объекта формируют лазерное излучение в виде широкой полосы, затем поворотом цилиндрического линзового элемента преобразуют его в узкую полосу длиной, обеспечивающей наибольшую вероятность попадания на объект, а для попадания излучения в глаза объекта сканируют объект этой полосой возвратно-поступательным перемещением устройства.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что возвратно-поступательные перемещения осуществляют в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при формировании лазерного излучения устанавливают длину горизонтальной оси его сечения не меньшей максимального расстояния между глазами человека.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что возвратно-поступательные перемещения осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в качестве индивидуального защитно-осветительного средства, предназначенного для подсветки близких и удаленных объектов, защитного светового воздействия на человека или животного в случае угрозы его нападения, а также в качестве сигнального средства.

Известны лазерные световые устройства, например лазерные указки и целеуказатели, содержащие лазерный полупроводниковый диод и объектив, формирующий на выходе этих устройств лазерное излучение видимого диапазона в виде узкого пучка света. Например, в промышленно выпускаемом лазерном целеуказателе "Барс" (Россия) в корпусе установлен лазерный модуль, представляющий собой конструктивно жестко скрепленные между собой лазерный диод с выходной мощностью порядка 5 мВт и объектив, формирующий расходящийся пучок излучения с выхода диода в узконаправленный коллимированный лазерный пучок света. На малых расстояниях (35 метров) на выходе целеуказателя лазерная марка представляет собой относительно круглое световое пятно, но по мере увеличения расстояния форма светового пятна изменяется и на расстоянии примерно 2030 м несколько растягивается. Обычно при разработке целеуказателей и указок стремятся обеспечить минимальный диаметр и круглую форму светового пятна на максимальных расстояниях. При случайном прямом попадании лазерного излучения видимого диапазона в глаза человека или животного может наступить временное ослепление, связанное со световой адаптацией зрения. Однако попадание небольшой круглой световой марки непосредственно в глаз, а тем более в оба, маловероятно.

Известен автономный лазерный осветительный модуль и способ его применения в качестве защитного устройства, предназначенного для ослабления или временного ухудшения зрения человека с помощью яркого света или ослепляющей вспышки, по патенту США 6007218, F 21 K 7/00, F 21 V 8/00, 1999г. Согласно патенту устройство содержит корпус, размещенные в нем блок питания, выключатель и лазерный осветительный модуль, включающий лазерный излучатель и коллимирующий объектив, установленный с возможностью его перемещения относительно лазера. С целью энергетического и геометрического выравнивания формы и освещенности лазерной марки между полупроводниковым лазерным диодом (излучателем) и объективом установлен световолоконный жгут, свитый петлями. При этом на выходе устройства формируется излучение в виде пучка света круглого сечения.

Способ применения этого защитно-осветительного устройства включает формирование широкого лазерного пучка света видимого диапазона, предварительное обнаружение объекта воздействия (преступника или потенциального нарушителя) путем его освещения этим пучком света, преобразование широкого лазерного пучка в более узкий с безопасной плотностью энергии, наведение его на глаза объекта и, если он не прекращает угрожающего поведения, возбуждение отдельных вспышек яркого света, направленных в глаза нарушителя, с помощью нажатия переключателя лазерного излучателя.

Однако этот способ обезвреживания потенциального преступника не может быть достаточно эффективным, поскольку в режиме светового защитного воздействия используется только часть круглого светового пятна, попадающая на глаза нарушителя, а при концентрации световой энергии при уменьшении светового пятна в условиях чрезвычайных ситуаций и плохой освещенности попадание небольшой круглой световой марки непосредственно в глаза объекта маловероятно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является автономное портативное лазерное защитно-осветительное устройство "The Laser Dissuader", разработанное на основе патента США 5685636, F 21 К 7/00, 1997г., представляющее собой лазерный излучатель, ухудшающий или временно ослабляющий зрение человека путем воздействия яркого света или ослепляющей вспышки, не вызывающей длительной потери зрения. В соответствии с патентом устройство содержит корпус, выполненный в форме, например, карманного фонаря или полицейской дубинки, и последовательно установленные в нем источник питания с выключателем, цепь источника питания, лазерный излучатель и объектив, выполненный с возможностью его перемещения вдоль оси. Подвижкой объектива обеспечивают формирование узконаправленного лазерного пучка света или его расширение с целью освещения и обнаружения с его помощью таких объектов, как человек. Световое пятно на выходе объектива имеет круглую форму. Устройство предназначено для сигнально-предупредительных и защитных действий, предпринимаемых полицейскими, службами охраны и безопасности или военными, а также для подсветки объектов, в том числе людей, в условиях низкой освещенности.

Способ применения устройства заключается в том, что предварительно обнаруживают или визуально определяют объект и наводят лазерный луч примерно на уровень его груди, сопровождая это голосовым предупреждением. Если объект не реагирует должным образом, луч лазерного излучателя на короткое время направляют в глаза объекту. Прямое попадание лазерного излучения в глаза человеку приводит к его дезориентации, вызванной физиологической перестройкой его зрительного восприятия, связанной со световой и темновой адаптацией. Время, необходимое для адаптации, зависит от плотности мощности излучения светового потока на объекте и времени воздействия света на объект. Для дезориентации человека или животного используют узконаправленный пучок света, а для его предварительного обнаружения - расширенный. Для переформирования светового пучка необходимо произвести перенастройку устройства, то есть перемещением объектива сформировать световое пятно нужного размера.

При использовании указанного малогабаритного лазерного устройства его держат в руке, поэтому в экстремальных ситуациях попадание узкого лазерного пучка света непосредственно в глаза нападающего крайне затруднительно. Для обеспечения большей вероятности попадания лазерного света и предварительного обнаружения объекта перемещением объектива устройства достигают расширения лазерной марки до поперечного размера примерно 150300 мм на расстоянии 34 м от него. Расширение лазерной марки вызывает снижение уровня освещенности объекта. Круглая форма светового пятна не позволяет эффективно использовать мощность излучения, генерируемого устройством, так как "работает" только узкая часть круглого светового пятна, попадающая на глаза.

Изобретение решает задачу повышения эффективности охранных мероприятий и защиты от нападения за счет обеспечения более точного и направленного светового воздействия на объект.

Для этого автономное лазерное защитное устройство, содержащее корпус с размещенными в нем блоком питания, лазерным излучателем и объективом, установленным с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, дополнительно снабжено цилиндрической линзой, установленной в корпусе на оптической оси объектива с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o, относительно исходного положения, в котором главное сечение линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца тела свечения лазерного излучателя и проходящей через центр его выходного окна. Объектив выполнен таким образом, что его передний апертурный угол больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна лазерного излучателя. Цилиндрическая линза закреплена в оправе, установленной в корпусе с возможностью ее поворота вокруг оси объектива и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения. Передний фокус объектива установлен за или перед излучающим торцом тела свечения лазерного излучателя. В качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазерный диод с максимальными углами расходимости лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n: 1 соответственно, где n - больше или равно двум.

Согласно способу защиты от нападения с помощью автономного лазерного защитного устройства, включающему формирование широкого лазерного пучка света видимого диапазона, предварительное обнаружение обезвреживаемого объекта путем его освещения указанным пучком света, преобразование широкого лазерного пучка в более узкий с безопасной плотностью энергии и наведение его на глаза обезвреживаемого объекта, для обнаружения объекта в плоскости объекта формируют лазерное излучение в виде широкой полосы, затем путем поворота цилиндрической линзы устройства преобразуют его в узкую полосу длиной, обеспечивающей наибольшую вероятность попадания на объект, а для попадания излучения в глаза объекта сканируют объект этой полосой возвратно-поступательными перемещениями устройства, которые можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта со скоростью, обеспечивающей прямое попадание в глаза объекта в течение 0,1-0,25 секунды. При этом пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньшей максимального расстояния между глазами человека.

Для обеспечения временной дезориентации объекта, не сопровождающейся необратимыми изменениями зрения, используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии светового воздействия.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено заявленное лазерное защитное устройство в разрезе с цилиндрической линзой в исходном положении; на фиг. 2 - то же, при повороте цилиндрической линзы на 90^o; на фиг.3 - лазерный излучатель, выполненный в виде полупроводникового лазерного диода, и углы расходимости лазерного излучения на его выходе в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях; на фиг.4 - формирование светового пятна на выходе объектива.

Лазерное защитное устройство содержит корпус 1 с последовательно установленными в нем блоком питания 2, лазерным излучателем 3 и объективом 4.

Корпус 1 может быть выполнен в виде фонаря или в любой другой удобной форме из легкого металла или пластмассы.

В качестве лазерного излучателя 3 в устройстве может быть использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного или импульсного действия либо малогабаритный лазерный модуль со щелевой диафрагмой на выходе.

В корпусе 1 за объективом 4 на его оптической оси установлена цилиндрическая линза 5 с возможностью ее поворота на угол, кратный 90^o, относительно исходного положения. За исходное положение цилиндрической линзы 5 принято такое, в котором главное ее сечение совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3 и проходящей через центр его выходного окна. Цилиндрическая линза 5 конструктивно может быть выполнена круглой, квадратной или прямоугольной формы. Для обеспечения удобства ее поворота она может быть закреплена в оправе 8, установленной на корпусе 1 с возможностью ее поворота вокруг оси объектива 4 и фиксации при повороте через 90^o относительно исходного положения, например, с помощью шариковых пружинных фиксаторов (на чертеже не показаны), установленных через 90^o на оправе или на корпусе. При этом для фиксации подпружиненных шариков и соответственно оправы в определенном положении при ее повороте могут служить четыре отверстия в корпусе или в оправе цилиндрической линзы. При фиксации оправы через 90^o шарики попадают в отверстия в корпусе, при этом рукой ощущается легкий щелчок, что может облегчить настройку устройства, например, еще до его включения или в темноте, что позволяет оперативно перевести устройство в защитный режим работы или в режим поиска.

Оправа 8 вместе с установленной в ней линзой 5 может служить также для защиты внутреннего объема корпуса 1 от внешних воздействий.

В варианте исполнения установочные размеры цилиндрической линзы 5 могут совпадать с размерами выходного отверстия корпуса 1, и тогда линза может быть установлена непосредственно в корпусе без оправы.

Лазерный излучатель 3 в виде полупроводникового лазерного диода (фиг.3) выбран с максимальными углами расходимости лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1 соответственно, где n - больше или равно двум. При этом на выходе лазерного диода формируется пучок света с эллипсоидальным сечением.

Оптимальным можно считать соотношение 3:1 или 4:1, однако современные лазерные полупроводниковые диоды, выпускаемые зарубежными ведущими фирмами-производителями, такими как Hitachi, Sanyo, Sony (Япония), Polaroid Corporation (США), и российскими - НПО "ПОЛЮС" (г. Москва), АО "Восход" (г. Калуга), имеют максимальную расходимость лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр выходного окна диода, приблизительно находящуюся в соотношении 3:1.

Объектив 4 выполнен таким образом, что его передний апертурный угол _A больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе лазерного излучателя 3 в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца 6 его тела свечения 7 и проходящей через центр выходного окна лазерного диода - излучателя 3. Такое выполнение объектива 4 обеспечивает максимальный захват его излучения. При этом в плоскости, перпендикулярной к плоскости наибольшей расходимости излучения и проходящей через оптическую ось системы "лазерный диод-объектив", угол расходимости лазерного излучения примерно в три раза меньше чем , и на входе объектива 4 лазерное излучение формируется в виде световой полосы со сторонами, длины которых находятся также в соотношении примерно 1:3.

Объектив 4 в вариантах исполнения может быть выполнен многокомпонентным в виде линзы Френеля или в виде асферической линзы.

Передний фокус F объектива 4 установлен на его оптической оси за или перед телом свечения 7 лазерного излучателя 3 на некотором расстоянии x, определяемом в зависимости от фокусного расстояния f объектива, максимального угла расходимости излучения на выходе лазерного излучателя и требуемых параметров световой полосы на объекте. Смещение фокуса F относительно тела свечения излучателя 3 в ту или другую сторону позволяет уменьшить расходимость светового пучка на выходе объектива 4 по сравнению с его расходимостью на входе последнего. При этом расстояние х выбирают меньшим, чем фокусное расстояние f объектива.

Устройство работает следующим образом.

Как известно, цилиндрическая линза имеет два главных сечения, проходящих через ось линзы, - одно в плоскости, перпендикулярной к образующей ее цилиндрической поверхности, другое - в плоскости, параллельной этой образующей. Если представить тело свечения излучателя в виде тонкой линии, то в плоскости, проходящей через эту линию, главное сечение цилиндрической линзы в зависимости от ее положения относительно излучателя будет эквивалентно либо сечению плоскопараллельной пластины, либо сечению сферической линзы. Согласно изобретению за исходное положение цилиндрической линзы 5 принято такое, в котором главное сечение линзы совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3 и проходящей через центр его выходного окна. При этом главное сечение линзы 5 будет эквивалентно сечению сферической линзы.

Поскольку в качестве лазерного излучателя 3 использован полупроводниковый лазерный диод (фиг.3) с максимальными углами расходимости лазерного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n: 1 соответственно, то сечение лазерного излучения на входе и выходе объектива 4 при выбранной апертуре представляет собой эллипс с таким же соотношением его большей и меньшей осей. Благодаря тому, что передний фокус F объектива 4 установлен за или перед излучающим торцом 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3, на выходе объектива 4 расходимость лазерного излучения одинаково уменьшится как в плоскости максимальной расходимости (), так и в плоскости минимальной расходимости лазерного излучения на выходе диода. При этом на вход цилиндрической линзы 5 попадет лазерный пучок света с сечением в виде эллипса, расходящийся менее, чем на входе объектива 4.

При отсутствии цилиндрической линзы (как показано на фиг.4) в плоскости, удаленной от объектива, на некотором расстоянии от него формируется световая полоса с длиной l и шириной m, находящимися в соотношении l:m, равном n. С помощью цилиндрической линзы форма световой полосы на объекте изменяется.

В исходном положении цилиндрической линзы 5 (фиг.1) ее главное сечение совмещено с плоскостью, перпендикулярной меньшей стороне излучающего торца 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3, проходящей через центр его выходного окна, и представляет собой сечение сферической линзы. При этом расходимость излучения на выходе линзы 5 в плоскости минимальной расходимости излучения лазерного излучателя увеличивается, а в плоскости максимальной расходимости излучателя останется такой же, как после прохождения плоскопараллельной пластины. В этом случае на выходе цилиндрической линзы 5 в плоскости объекта формируется световая полоса 9 шириной m₁, большей ширины m в зависимости от фокусного расстояния цилиндрической линзы, и длиной, равной l.

Очевидно, что при увеличении ширины полосы в n раз длина и ширина световой полосы 9 становятся равными.

При повороте цилиндрической линзы 5 на 90^o (фиг.2) ее главное сечение окажется совмещенным с плоскостью, перпендикулярной большей стороне излучающего торца 6 тела свечения 7 лазерного излучателя 3, и представляет собой сечение плоскопараллельной пластины. При этом расходимость излучения на выходе линзы 5 в плоскости минимальной расходимости излучателя останется прежней, а в плоскости максимальной расходимости излучения лазерного излучателя увеличится, как после прохождения сферической линзы. В этом положении на выходе цилиндрической линзы 5 в плоскости объекта формируется световая полоса 9 шириной, равной m, и длиной l₁, большей длины l также в зависимости от фокусного расстояния цилиндрической линзы.

Таким образом, при поворотах цилиндрической линзы 5 на 90^o возможно формирование на объекте либо узкой и длинной световой полосы (фиг.2), либо более широкой и короткой полосы (фиг.1) со сторонами, определяемыми величинами смещения фокуса объектива 4 относительно тела свечения лазерного излучателя 3, фокусными расстояниями объектива 4 и цилиндрической линзы 5, величиной n, определяемой как соотношение углов расходимости лазерного излучения на выходе лазерного диода, а также положением цилиндрической линзы относительно объектива.

Способ применения лазерного устройства для защиты от нападения согласно изобретению осуществляют следующим образом.

В случае возникновения опасной ситуации с помощью автономного лазерного устройства формируют лазерный пучок света видимого диапазона с сечением в виде относительно широкой полосы и направляют его в сторону обезвреживаемого объекта или потенциального нарушителя с целью определения его местонахождения и расположения. Затем с помощью поворота цилиндрической линзы устройства преобразуют этот пучок в узкую полосу длиной, обеспечивающей наибольшую вероятность попадания на объект. Для этого пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньшей усредненного максимального расстояния между глазами человека.

Практически для повышения эффективности работы устройства длина полосы на объекте должна превышать максимальное расстояние между глазами человека, т. е. 80100 мм, и быть примерно равной 100200 мм, а минимальное расстояние воздействия должно быть примерно равно 12 м. При этом может быть обеспечено относительно безопасное (временное) воздействие лазерного излучения на глаза человека. Естественно, что на больших расстояниях энергетическая плотность световой полосы будет уменьшаться, а безопасность воздействия излучения возрастать.

После формирования вытянутого в виде полосы лазерного излучения сканируют этим световым пятном подозрительный объект путем возвратно-поступательных движений руки с устройством, наводя лазерное излучение на его глаза. Возвратно-поступательные перемещения устройства можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлениях в зависимости от расположения объекта, причем большую ось светового сечения желательно установить перпендикулярно направлению перемещения устройства.

При этом возвратно-поступательные перемещения устройства осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание светового излучения в глаза объекта в течение 0,1-0,25 секунды. Тем самым обеспечивают одновременную засветку обоих глаз нарушителя в течение времени, необходимого и достаточного для появления физиологической реакции на световое воздействие. Длительность экспозиции, т.е. прямого попадания светового излучения в глаза объекта, имеет существенное значение. Как показывают исследования, при времени однократного воздействия света, превышающем 0,25 секунды, глаз человека самопроизвольно закрывается, и дальнейшее его облучение практически бесполезно. При времени светового воздействия менее 0,1 секунды рецепторы глаза не успевают полностью отреагировать на изменение его освещенности и эффект "временного ослепления" достигнут не будет.

С другой стороны, для обеспечения временного дезориентирующего воздействия на объект, не приводящего к необратимым физиологическим изменениям глаз человека, используют лазерный излучатель, обеспечивающий световой поток с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см², что соответствует нормам предельно допустимого уровня освещенности глаз, установленным санитарными нормами и правилами эксплуатации лазеров, например СанПиН 5804-91.

При этом принимают, что для эффективной реализации заявленного способа защиты от нападения минимальная дистанция относительно безопасного (временного) воздействия лазерного излучения на глаза человека составляет примерно 12 метра, а максимально гарантированная дистанция защитного действия - около 300 метров. При дальнейшем увеличении расстояния до объекта световая полоса увеличивается в размерах и освещенность объекта существенно снижается.

Таким образом, изобретение позволяет формировать на объекте лазерную марку в виде широкой полосы и преобразовывать ее в более узкую полосу. Такое формирование излучения на выходе устройства позволяет использовать его для подсветки близких и удаленных объектов, а также как защитное средство, временно дезориентирующее нападающего. Возможность формирования лазерной марки в виде черты или полосы позволяет наиболее эффективно использовать излучение полупроводникового лазерного излучателя, концентрируя его по ширине. Поворот цилиндрической линзы позволяет быстро производить перенастройку устройства и оперативно переводить его из защитно-осветительного режима работы в режим поиска и освещения объекта, что также повышает эффективность использования устройства, особенно в экстремальных ситуациях.