Когда офицер армейского спецназа, ставший инженером, задумывается о разработке военного оптического прицела, он не забывает о важности создания чего-то простого в использовании, чрезвычайно точного и легкого для солдат, которые будут его носить. -вес и длительное время работы от батареи.
Инженер-оптик Sandia National Laboratories Бретт Бэгвелл руководил разработкой прототипа Rapid Adaptive Zoom для штурмовых винтовок (RAZAR). Нажатием кнопки RAZAR может переключаться между высоким и низким увеличением, позволяя солдатам увеличивать масштаб, не отрывая глаз от своих целей или рук от винтовок.
«Идея масштабирования с помощью кнопок заключается в том, что вы можете получить то, что вас интересует, при малом увеличении и, не теряясь, увеличить масштаб для большей ясности», - сказал Бэгвелл.
В дополнение к военным оптическим прицелам технологии RAZAR в настоящее время рассматриваются для других приложений, где важны скорость, размер, вес и мощность. Приложения включают медицинскую визуализацию, бинокли для всего диапазона пользователей от военных до орнитологов, охотничьи прицелы и камеры мобильных телефонов, где оптический зум необходим, чтобы избежать пиксельных изображений, связанных с цифровым зумом.
Адаптивный зум - это ответ Sandia на призыв Минобороны к созданию оптического прицела
Бэгвелл начал работу над RAZAR в 2006 году в ответ на интерес Министерства обороны к компактному оптическому прицелу с переменным фокусным расстоянием, который может быстро переключаться между увеличениями. Ранняя работа финансировалась программой Sandia’s Laboratory Directed Research and Development..
Бэгвелл не нашел коммерческих продуктов или компонентов, которые позволили бы прицелу соответствовать военным требованиям, поэтому ему пришлось спроектировать и построить первый RAZAR с нуля и разработать производственный процесс.
Прототип RAZAR использует запатентованную систему активного оптического увеличения, называемую «адаптивным увеличением», изобретенную Дэвидом Уиком, который в то время работал инженером-оптиком Sandia.
Традиционный оптический зум изменяет увеличение, регулируя положение линз вдоль оптической оси. Например, 35-мм камера механически перемещает линзы при увеличении или уменьшении масштаба объекта.
Адаптивный зум изменяет фокусное расстояние двух или более объективов за счет изменения кривизны поверхностей линз для обеспечения оптического зума без изменения их общего положения относительно друг друга, позволяя пользователю просматривать либо широкоугольное изображение или увеличить интересующую область с помощью компактной системы с низким энергопотреблением, сказал Вик.
Изобретение, по словам Бэгвелла, означает, что «впервые за долгое время появилась новая технология, которой может воспользоваться разработчик оптики прямого обзора».
Три основные технологии обеспечивают работу адаптивного масштабирования для RAZAR:
• Полимерная сердцевина линзы имеет две гибкие, герметично закрытые мембраны, в которые заключена полимерная жидкость. Линзы диаметром три четверти дюйма совмещены со стеклянными линзами, чтобы завершить оптическую конструкцию. • Пьезоэлектрический привод электромеханически изменяет изгиб линз, достигая правильного положения в течение 250 миллисекунд с точностью до 100 нанометров, что составляет около 1/100 толщины человеческого волоса. Эти исполнительные механизмы работают так, как мышцы человеческого глаза изменяют кривизну хрусталика глаза, чтобы сфокусироваться вдали или вблизи. • Инструменты проектирования систем с переменным фокусным расстоянием пришлось разрабатывать с нуля, включая аналитические выражения и компьютерные модели, которые отслеживают световые лучи через оптические системы.
Пиковое оптическое качество оптического прицела составляет половину световой волны
Переменные оптические линзы были впервые разработаны в конце 1800-х годов, но имели мало применений из-за ограниченности материалов. По словам Вика, адаптивный зум обеспечивает настоящий оптический зум (в отличие от цифрового зума) за счет одновременного изменения фокусного расстояния двух или более объективов без обычного механического движения, что снижает требования к размеру и мощности зум-объектива.
Теория, лежащая в основе зум-прицелов, не претерпела существенных изменений с 1960-х годов, пока не появилась технология адаптивного зума. Используя адаптивный зум, команда Sandia в течение 18 месяцев работала над достижением оптического качества примерно в половину длины волны света.
Производственный процесс разработан, чтобы гарантировать качество линз
Сандиа должна была усовершенствовать процесс производства линз, чтобы можно было воспроизвести качество прототипа. По словам Бэгвелла, когда полимер запечатан, в линзах или на окружающих кольцах не должно оставаться пузырьков воздуха или пылинок.
Фредди Сантьяго, который в то время был докторантом по физике и участвовал в программе студенческой стажировки Sandia, разработал процесс изготовления линз.
Вы должны начать с основ: как мы делаем полимер? Как мы растягиваем полимер и делаем из него оптическую поверхность? Нам нужно было понять процесс, от смешивания полимера до получения конечный продукт, и мы должны были делать это систематически», - сказал Сантьяго.
Малый бизнес подключился к разработке привода
В то время как многие из технологий и конструкций, из которых состоит прицел, были созданы инженерами-механиками, экспертами по робототехнике, химиками и другими экспертами Sandia, Бэгвелл вышел за пределы лабораторий для привода, чтобы сгибать линзы, обратившись за помощью к Dynamic Structures и Materials, LLC, малый бизнес во Франклине, Теннесси.
Мэттью Стефаник, который был ведущим инженером компании по проекту, сказал, что команда использовала ультразвуковой пьезодвигатель для приведения в действие изгиба линз. Подается напряжение ультразвуковой частоты, вызывающее вибрацию и перемещение ротора и ходового винта, в результате чего линза изгибается.
Стефаник сказал, что решение использовать ультразвуковой двигатель обеспечило ключевую функцию, «удержание с нулевой мощностью», которая поддерживает последний выбранный фокус, даже если питание отключено.
Эта функция позволяет пользователям совершать 10 000 срабатываний от двух батареек АА, сказал Бэгвелл.
На то, чтобы соответствовать военным спецификациям по энергопотреблению, скорости и точности, потребовались годы. «Как инженер я был впечатлен нашим прогрессом, - сказал Бэгвелл. "Но как оператор, я был постоянно недоволен. Мы должны были сделать его меньше. Мы должны были сделать его легче. Он должен переключаться быстрее."
Бывший сержант говорит, что оптический прицел может спасти жизни
С 2010 по 2012 год команда также проверяла надежность прицела в полевых условиях, проводя испытания на удар, вибрацию и температуру, сказал Бэгвелл.
К 2010 году Бэгвелл начал демонстрировать его военным, а в конце 2012 года испытал его с представителями Командования специальных операций США в учебном центре совместных маневров Кэмп-Аттербери недалеко от Эдинбурга, штат Индиана. Когда он передал винтовки военным, чтобы они могли их испытать, он понял, что Sandia разработала концепцию, которая пойдет на пользу военным.
"Ребята подняли его, и когда они нажали кнопку, и он увеличился, а затем мгновенно снова уменьшился, они были как дети на Рождество. Это был взгляд удивления и удовольствия, - сказал он. - Это очень приятно. Вот этот седой ветеран смотрит на меня так, будто я только что сотворил волшебство."
Майкл Сквайр, в то время сержант первого класса в Отделе поддержки исследований специальных операций, сказал, что способность перемещаться между ближними и дальними целями в течение нескольких секунд, не отрывая руки от оружия, «меняет правила игры».
«Разница, которая может иметь значение, особенно когда кто-то стреляет в ответ, может означать жизнь или смерть», - сказал он.
Отзывы бывших военнослужащих и солдат, которые попробовали RAZAR, мотивировали Бэгвелла. Сейчас он работает над созданием систем ночного видения и недавно продемонстрировал адаптивное масштабирование в инфракрасном тепловом диапазоне.
«Для меня это возможность использовать свои технические знания и отдавать их людям, которые мне действительно небезразличны», - сказал он.