лазерное ручное защитное устройство

Формула изобретения

1. Лазерное ручное защитное устройство, содержащее корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя световыми излучателями, блок питания с системой контроля интенсивности света световых излучателей и переключатель режимов работы световых излучателей, отличающееся тем, что в качестве световых излучателей использованы полупроводниковые лазерные диоды или лазерные модули со щелевой диафрагмой, устройство дополнительно снабжено объективами по количеству излучателей, установленными на оптической оси каждого излучателя с возможностью их перемещения вдоль оптической оси, для обеспечения возможности наложения световых полос на объекте воздействия излучатели установлены в корпусе так, что их оптические оси параллельны между собой и расположены в одной плоскости, причем большие стороны излучающих торцов тел свечения лазерных излучателей параллельны между собой и перпендикулярны плоскости оптических осей объективов, а передний фокус каждого объектива установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом тела свечения соответствующего лазерного излучателя на расстояниях, определяемых из выражения



где l - длина световой полосы на объекте, м;

f" - фокусное расстояние объектива, мм;

L - дистанция безопасного защитного светового воздействия на объект, м;

- максимальный угол расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна диода.

2. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый объектив выполнен таким образом, что его передний апертурный угол больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе соответствующего светового излучателя.

3. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый лазерный излучатель выбран с максимальными углами расходимости лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1, где n больше или равно 2.

4. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что переключатель режимов работы световых излучателей выполнен в виде переключателя с количеством последовательных фиксированных положений, соответствующих количеству световых излучателей.

5. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что переключатель режимов работы световых излучателей выполнен в виде переключателя с количеством независимых фиксированных положений, соответствующим количеству световых излучателей.

6. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта лазерные излучатели выбраны из условия обеспечения светового потока с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия.

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 и защитного светового воздействия на человека или животного в случае угрозы его нападения.

Известны специальные лазерные автономные устройства для охранно-предупредительных действий и подсветки объектов, в том числе людей, в условиях низкой освещенности, например, автономный лазерный осветительный модуль по патенту США 6007218, F 21 K 7/00, F 21 V 8/00, 1999 г., применяемый в качестве защитного устройства, предназначенного для ослабления или временного ухудшения зрения человека с помощью яркого света или ослепляющей вспышки. 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.

При использовании этого защитно-осветительного устройства вначале формируют широкий лазерный пучок света видимого диапазона, предварительно обнаруживают объект воздействия (преступника или потенциального нарушителя) путем его освещения этим пучком света, затем преобразуют широкий лазерный пучок в более узкий с безопасной плотностью энергии, наводят его на глаза объекта и, если тот не прекращает угрожающего поведения, возбуждают отдельные вспышки яркого света, направленные в глаза нарушителя, с помощью нажатия переключателя лазерного излучателя. Прямое попадание яркого излучения видимого диапазона в глаза нарушителя вызывает у него физиологическую реакцию глаз - веки закрываются и возникает его временная дезориентация, связанная с темновой или световой адаптацией зрения.

Однако этот способ обезвреживания потенциального преступника не может быть достаточно эффективным, поскольку в условиях чрезвычайных ситуаций и плохой освещенности необходимость плавной перенастройки устройства приводит к потере времени и снижению безопасности защищающегося, а в режиме светового защитного воздействия используется только часть круглого светового пятна, попадающая на глаза нарушителя.

Известно также автономное портативное защитно-осветительное устройство по патенту США 5685636, F 21 K 7/00, 1997 г., представляющее собой лазерный излучатель, ухудшающий или временно ослабляющий зрение человека путем воздействия на него ярким светом или ослепляющей вспышкой, не вызывающими длительной потери зрения. В соответствии с патентом лазерный излучатель включает в себя корпус, выполненный в виде карманного фонаря, и последовательно установленные в нем источник питания с выключателем, цепь источника питания, лазерный диод и объектив, выполненный с возможностью его перемещения вдоль оси, при котором изменяется его входная апертура. Подвижка объектива служит для переформирования размеров светового пятна и обеспечивает либо формирование узконаправленного лазерного пучка света, либо его расширение с целью освещения и обнаружения с его помощью различных объектов. При этом 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. 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 и времени светового воздействия. Для дезориентации человека или животного используется сравнительно 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.

Поскольку при использовании портативного лазерного устройства его держат в руке, то попадание узкого лазерного пучка света непосредственно в глаза нападающего крайне затруднительно, особенно в экстремальных ситуациях. Для обеспечения большей вероятности попадания лазерного света и предварительного обнаружения объекта, подвижкой объектива устройства добиваются расширения лазерной марки до поперечного размера примерно 150-300 мм на расстоянии 3-4 м от объекта. Однако расширение лазерной марки вызывает снижение уровня освещенности объекта. При этом круглая форма светового пятна не позволяет эффективно использовать мощность излучения, генерируемого устройством, так как "работает" только узкая часть круглого светового пятна, попадающая на глаза.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является автономное ручное, не наносящее необратимого ущерба, оптическое защитное устройство по патенту США 6190022, F 21 K 7/00, F 21 V 8/00, 2001 г., содержащее корпус и размещенные в нем по крайней мере два источника света с излучением видимого диапазона, хотя бы один из которых выполнен в виде лазерного излучателя, объектив, установленный с возможностью его продольного перемещения и сопряженный с источниками света посредством светопроводящих волоконно-оптических жгутов, блок питания с системой регулировки интенсивности света световых излучателей и переключатель режимов работы световых излучателей.

Входные торцы светопроводящих волоконно-оптических жгутов установлены на выходе источников света, а выходные торцы собраны и совмещены с оптической осью объектива. С помощью подвижки объектива световое сечение пучка на выходе устройства, имеющее форму круга, может быть изменено (увеличено или уменьшено).

В качестве источников света в устройстве могут быть использованы светоизлучающие диоды. При этом они могут быть сопряжены с объективом посредством светопроводящих волоконно-оптических жгутов или могут быть установлены непосредственно перед объективом на плоском основании, выполненном в виде светодиодной матрицы. Устройство может содержать смешанные лазерные и нелазерные источники света. Источников света может быть три и более. Устройство содержит блок питания с системой внутреннего контроля интенсивности света на выходе устройства, переключатель режимов работы источников света путем включения-выключения их всех одновременно или выборочно. Для повышения эффективности работы устройства источники света могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Источники могут излучать свет красного и зеленого, зеленого и голубого цветов или одновременно красного, зеленого и голубого цветов. Цвета света источников являются так называемыми дополнительными цветами, которые при смешивании дают белый (серый) цвет, что, согласно патенту, вызывает максимальную физиологическую дезориентацию нарушителя при воздействии на него таким световым пучком. При этом общая интенсивность света не превышает предельно допустимого уровня, установленного американским национальным институтом стандартов.

Недостатком этого устройства являются потери света при использовании светопроводящих волоконно-оптических жгутов, особенно при использовании в качестве источников света светоизлучающих диодов, а также конструктивная сложность устройства и связанная с этим сравнительно высокая его стоимость. Кроме того, при установке светодиодной матрицы непосредственно перед объективом диаграмма направленности света на выходе устройства является широкоугольной независимо от положения объектива, так как только один светоизлучающий диод расположен на оси объектива, а оси световых пучков остальных излучающих диодов параллельны оси объектива на его входе и пересекаются в фокусе объектива после его прохождения. Формирование широкоугольного светового пучка с сечением в виде круга на выходе устройства снижает дальность его действия, а также не позволяет эффективно использовать всю его энергетику при воздействии на объект.

Изобретение решает задачу повышения эффективности использования лазерного ручного защитного устройства за счет снижения потерь света и рационального формирования формы светового пятна, а также снижения стоимости устройства.

Для этого устройство, содержащее корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя световыми излучателями, блок питания и переключатель режимов работы световых излучателей, дополнительно снабжено объективами по количеству световых излучателей, установленными на оптической оси каждого светового излучателя с возможностью их перемещения вдоль оптической оси, а световые излучатели установлены в корпусе так, что их оптические оси параллельны между собой и расположены в одной плоскости. В качестве световых излучателей использованы только лазерные излучатели, причем большие стороны излучающих торцов тел свечения лазерных излучателей установлены параллельно между собой и перпендикулярно плоскости, в которой расположены оптические оси объективов.

Каждый объектив выполнен таким образом, что его передний апертурный угол _A больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе соответствующего светового излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр его выходного окна. При этом передний фокус каждого из объективов установлен на оптической оси за или перед излучающим торцом тела свечения соответствующего светового излучателя.

Все лазерные излучатели выбраны с максимальными углами расходимости и _// лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1, где n больше или равно 2.

Для обеспечения временной дезориентации обезвреживаемого объекта, не приводящей к необратимым последствиям, лазерные излучатели выбраны из условия обеспечения светового потока с плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см² на всем расстоянии воздействия.

Переключатель режимов работы излучателей выполнен в виде переключателя с количеством последовательных фиксированных положений либо независимых фиксированных положений, соответствующих количеству световых излучателей.

В качестве лазерных излучателей использованы полупроводниковые лазерные диоды с излучением света одного спектрального диапазона или в диапазонах дополнительных цветов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показано заявленное устройство в разрезе и принцип формирования светового пятна на объекте; на фиг.2 - поперечный разрез устройства, представляющий расположение лазерных излучателей в корпусе; на фиг.3 - лазерный излучатель, выполненный в виде полупроводникового лазерного диода с углами расходимости лазерного излучения и на его выходе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг.4 - принцип работы одной пары "излучатель-объектив".

Лазерное ручное охранное устройство (фиг.1) содержит корпус 1, в котором размещены световые излучатели 2 видимого диапазона, блок питания 3, включающий источники питания и систему регулировки интенсивности света световых излучателей, и переключатель 4 режимов работы световых излучателей.

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

Количество световых излучателей 2 в устройстве должно быть не менее двух. В примере реализации устройства, показанном на фиг.2, в корпусе 1 установлены три световых излучателя. Все световые излучатели являются лазерными. При этом в качестве лазерных излучателей могут быть использованы полупроводниковые лазерные диоды непрерывного или импульсного действия, либо малогабаритные лазерные модули со щелевой диафрагмой на выходе.

Каждый световой лазерный излучатель 2 снабжен объективом 5, установленным соосно с соответствующим излучателем 2 с возможностью его продольного перемещения, причем оптические оси объективов 5 параллельны между собой и лежат в одной плоскости, а большие стороны излучающих торцов 6 тел свечения 7 лазерных излучателей 2 параллельны между собой и перпендикулярны этой плоскости.

Все пары "лазерный излучатель - объектив" конструктивно могут быть установлены в корпусе 1 либо по отдельности с выполнением упомянутых выше условий параллельности их оптических осей, либо сгруппированы в блок, как это показано на фиг.2, и закреплены на общем основании. При этом таких излучающих блоков в вариантах выполнения может быть как один, так и несколько.

Каждый лазерный излучатель 2 (фиг.3) выбран с максимальными углами и _// расходимости лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1, где n 2. При этом на выходе лазерного излучателя формируется пучок света с эллипсоидальным сечением 8.

Каждый объектив 5 выполнен таким образом, что его передний апертурный угол _A больше или равен максимальному углу расходимости излучения на выходе лазерного излучателя 2 в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца 6 его тела свечения 7 и проходящей через центр выходного окна. Такое выполнение объективов 5 обеспечивает полный захват излучения соответствующего лазерного излучателя 2. При этом в плоскости, перпендикулярной к плоскости наибольшей расходимости излучения и проходящей через оптическую ось каждой пары "лазерный диод-объектив", угол расходимости лазерного излучения _// примерно в три раза меньше, чем угол , и на входе объектива 5 лазерное излучение формируется в виде световой полосы со сторонами, длины которых находятся также в соотношении примерно 1:3.

Объективы 5 в вариантах исполнения могут быть выполнены многокомпонентными, в виде линз Френеля или в виде асферических линз.

Каждый объектив 5 установлен относительно лазерного излучателя 2 таким образом, что его передний фокус F размещен на оптической оси за или перед излучающим торцом 6 тела свечения 7 соответствующего лазерного излучателя (фиг.4) на расстоянии х, определяемом из выражения



где l - длина световой полосы на объекте, м;

f - фокусное расстояние объектива, мм;

L - дистанция безопасного защитного светового воздействия на глаза объекта, м;

- максимальный угол расходимости излучения на выходе лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной к большей стороне излучающего торца его тела свечения и проходящей через центр выходного окна диода.

Смещение фокуса F относительно тела свечения 7 излучателя 2 в ту или другую сторону позволяет уменьшить расходимость светового пучка на выходе объектива 5 по сравнению с его расходимостью на входе последнего. При этом условии на выходе объектива 5 также формируется пучок света с вытянутым сечением, подобным сечению светового пучка на его входе, а следовательно, в плоскости объекта световое пятно 9 будет иметь форму полосы (фиг.4).

Фокусы F отдельных объективов 5 могут быть при настройке смещены на одну и ту же или на разные величины x относительно тел свечения 7 соответствующих излучателей 2, что позволит одинаково или по-разному уменьшать расходимость световых пучков на выходе каждого объектива 5 по сравнению друг с другом и, тем самым, настраивать все или отдельные пары "лазерный излучатель - объектив" на одну и ту же или разные величины дистанции L светового воздействия на глаза объекта. При этом на выходе каждого объектива 5 формируется на одном или на разных расстояниях L до объекта световая полоса с заданной длиной l и шириной m, в n раз меньшей l, а в плоскости объекта в результате наложения полос наблюдается суммарное световое пятно в виде полосы набора полос 9 (фиг.1).

Практически для повышения эффективности работы устройства величина l должна превышать расстояние между глазами человека, т.е. 80-100 мм, и быть примерно равной 100-200 мм, а минимальная дистанция L относительно безопасного (временного) воздействия лазерного излучения на глаза человека - примерно равной 1-2 м. Естественно, что на расстояниях, больших L, размеры формируемой каждой парой "лазерный излучатель - объектив" световой полосы будут увеличиваться, ее энергетическая плотность - уменьшаться, а эффективность защитного светового воздействия падать.

В качестве лазерных излучателей 2 использованы лазерные излучатели с излучением света одного спектрального диапазона или в диапазонах дополнительных цветов.

Переключатель 4 режимов работы световых излучателей выполнен в виде переключателя с количеством последовательных фиксированных положений либо независимых фиксированных положений, соответствующих количеству лазерных излучателей 2 в излучающем блоке или, если блоков несколько, количеству излучающих блоков. Такое выполнение переключателя (ступенчатое) служит для увеличения энергетической плотности суммарной световой полосы на объекте до предельно допустимого уровня при увеличении расстояния светового воздействия L и дает возможность регулировать интенсивность, размеры и цвет светового пятна на объекте путем включения и выключения всех лазерных излучателей 2 одновременно или поочередно, а также переводить излучатели из непрерывного режима работы в импульсный и наоборот.

Блок питания 3 может включать один источник питания для всех лазерных излучателей 2 или несколько источников по числу излучателей 2. Любой из этих источников может быть выполнен в виде отдельного элемента питания или батареи гальванических элементов или аккумуляторов. Кроме того, блок питания может содержать электронную схему стабилизации и контроля интенсивности излучения, общую для всех излучателей 2, или независимые электронные схемы 10 для каждого излучателя 2, как это показано на фиг.1.

Для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к необратимым для зрения человека последствиям, используют лазерные излучатели, обеспечивающие световой поток с суммарной 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.

Устройство работает следующим образом.

После прохождения каждого из объективов 5 на их выходе формируются расходящиеся менее чем на выходе излучателей 2 пучки света в виде плоских конусов с вершинами, обращенными на объективы, и углами при вершинах в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, находящимися в соотношении n:1 при n2. Таким образом, световое пятно на объекте формируется в виде световых полос 9, длина и ширина которых находятся в том же соотношении n:1. Длина l и ширина m каждой световой полосы на объекте устанавливаются перемещением объективов 5 предварительно при настройке устройства на определенную рабочую дистанцию L воздействия устройства. Принцип работы каждого объектива 5 показан на фиг.3. При этом в плоскости, перпендикулярной к плоскости наибольшей расходимости излучения и проходящей через оптическую ось каждой системы "лазерный излучатель-объектив", угол расходимости лазерного излучения _// примерно в три раза меньше, чем угол , и на выходе каждого объектива 5 лазерное излучение формируется в виде световой полосы со сторонами, длины которых находятся также в соотношении примерно 1:3. В результате наложения световое пятно на объекте формируется в виде набора световых полос 9, несколько смещенных друг относительно друга в продольном направлении, как это показано на фиг.1.

Продольное смещение полос определяется расстоянием S между осями объективов 5. Практически на минимально возможной дистанции воздействия устройства, т.е. примерно 1-2 м, можно обеспечить длину световой полосы на объекте порядка 300 мм; при этом смещением полос при расстоянии S, конструктивно выполнимым порядка 15-20 мм, можно пренебречь, тем более, что на краях полос энергетическая плотность излучения снижена, а энергетически эффективная часть полос полностью совпадает.

При увеличении дистанции до объекта размер каждой световой полосы увеличивается, их энергетическая плотность падает и становится меньше предельно допустимого уровня Е_п.д.у. Для того чтобы увеличить освещенность полосы, используют переключатель 4 режима работы световых излучателей, который позволяет, в зависимости от дистанции воздействия, включать последовательно или одновременно один, два или несколько лазерных излучателей или излучающих блоков, повышая по мере увеличения дистанции воздействия плотность излучения на объекте до Е_п.д.у за счет наложения световых полос или уменьшения их размеров.

При использовании ручного лазерного устройства для защиты от возможного нападения включением устройства формируют лазерный пучок света видимого диапазона с сечением в виде полосы с соотношением горизонтальной и вертикальной осей n:1, соответственно, где n2. Оптимальным можно считать соотношение 3:1 или 4:1.

После формирования вытянутой в виде полосы марки лазерного излучения сканируют этим световым пятном подозрительный объект путем возвратно-поступательных движений руки с устройством, одновременно обнаруживая местонахождение и расположение объекта и 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 пучок лазерного излучения формируют таким образом, чтобы длина большей оси его сечения на объекте была не меньшей усредненного максимального расстояния между глазами человека, а возвратно-поступательные перемещения устройства осуществляют со скоростью, обеспечивающей прямое попадание светового излучения в глаза объекта в течение 0,1-0,25 с. Тем самым обеспечивают одновременное световое воздействие на оба глаза нарушителя в течение времени, необходимого и достаточного для появления физиологической реакции на световое воздействие. Как показывают исследования, при времени однократного воздействия света, превышающем 0,25 с, глаз человека самопроизвольно закрывается, и дальнейшее его облучение практически бесполезно. При времени светового воздействия менее 0,1 с рецепторы глаза не успевают полностью отреагировать на изменение его освещенности, и эффект "временного ослепления" достигнут не будет.

С другой стороны, для обеспечения временной дезориентации объекта, не приводящей к необратимым для зрения человека последствиям, используют лазерные излучатели, обеспечивающие световой поток с суммарной плотностью мощности на объекте не более 110 мВт/см², что соответствует нормам предельно допустимого уровня освещенности глаз, установленным санитарными нормами и правилами эксплуатации лазеров.

При этом принимают, что для эффективного использования заявленного лазерного защитного устройства минимальная дистанция относительно безопасного (т. е. временного) воздействия лазерного излучения на глаза человека составляет примерно 1-2 м, а максимальная дистанция, при которой можно обеспечитьзащитные действия - около 300 м. При дальнейшем увеличении расстояния до объекта световая полоса увеличивается в размерах, и освещенность объекта существенно снижается.

Для увеличения освещенности объекта с помощью переключателя режима работы световых излучателей вводят в действие последовательно или одновременно один, два или несколько лазерных излучателей или излучающих блоков, и тем самым увеличивают плотность излучения на объекте в пределах предельно допустимого уровня Е_п.д.у благодаря наложению световых полос или уменьшению их размеров. Увеличение плотности излучения в широкой полосе позволяет более эффективно освещать удаленные объекты и с большей вероятностью производить их обнаружение и защитное воздействие.

При использовании нескольких пар "лазерный излучатель - объектив", настроенных на разные рабочие дистанции светового воздействия, на объекте формируют как широкую световую полосу, так и более узкие, усиливающие при наложении полос центральную область суммарного светового пятна, увеличивая тем самым эффективность ее воздействия на объект при одновременном освещении пространства вокруг объекта периферийной областью световой полосы.

Изобретение позволяет повысить эффективность использования лазерного ручного защитного устройства за счет снижения потерь в оптических трактах каждого излучателя, максимального захвата излучения источников света и формирования светового пятна в виде набора световых полос с регулируемой интенсивностью излучения. Упрощение конструкции устройства дает возможность снизить его стоимость. При этом устройство обеспечивает как большую вероятность попадания излучения на объект, так и большую эффективность его воздействия. Установка переключателя режимов работы световых излучателей в фиксированные положения позволяет сократить время на настройку устройства и оперативно увеличивать или уменьшать освещенность объекта воздействия, что также повышает эффективность использования устройства, особенно в экстремальных ситуациях.