СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B44C5/08 C03C23/00 C03B33/00 

Предлагаемое изобретение относится к технологии создания и визуализации изображений в прозрачных материалах, и, в частности, может быть применено для получения световых эффектов в объектах из стекла, хрусталя, оргстекла, драгоценных и полудрагоценных камней и т.д.

Известны способы визуализации изображений, заключающиеся в том, что освещают светорассеивающий рисунок, сформированный в объеме объекта из прозрачного материала с помощью электронного пучка [1] или электрического разряда [2] . Однако такое изображение обладает существенными недостатками, т. к. в результате воздействия электронного пучка или электрического разряда повреждается поверхность объекта, а рисунок формируется исключительно в виде нитевидных каналов пробоя и поэтому не может быть произвольным трехмерным.

Известны способы визуализации изображений, заключающиеся в том, что освещают светорассеивающий рисунок, сформированный с помощью лазера в объеме объекта из прозрачного материала за счет фокусировки лазерного излучения в заданной точке объема. При этом плотность мощности лазерного излучения в точке фокусировки должна превышать пороговое значение, необходимое для объемного пробоя материала [3], или быть достаточной для изменения структуры материала объема в точке фокуса за счет термического эффекта [4]. По совокупности существенных признаков способ [4] выбран в качестве ближайшего аналога - прототипа. Заданное изображение формируют поточечно при перемещении объекта относительно лазерного луча в трех взаимно-перпендикулярных направлениях по заданному закону. Указанные способы обеспечивают возможность формирования заданных трехмерных изображений в объеме объекта из прозрачного материала при сохранении целостности его поверхности. Эти способы могут применяться для формирования любых заданных трехмерных изображений в объеме изделий из прозрачного материала - логотипов, товарных знаков, меток и т.д. Сформированное таким образом изображение становится видимым (визуализируется) при обычном внешнем освещении и приобретает особенную декоративность при боковой подсветке. Основным недостатком указанных способов [3, 4] является недостаточная контрастность получаемого изображения, т.к. при обычном внешнем освещении изображение наблюдается на фоне излучения, отраженного от граней объекта и от окружающих предметов, которые наблюдатель видит через прозрачный объект. Особенно низкая контрастность изображения получается в том случае, когда объект находится между источником подсветки и наблюдателем, и прямые лучи от источника излучения, попадающие в поле зрения наблюдателя, создают сильный фон, мешающий наблюдению светорассеивающего внутриобъемного рисунка. Низкая контрастность получаемого изображения значительно снижает художественную выразительность и потребительские качества изделий с внутриобъемным рисунком.

Известно устройство для визуализации изображений [4], принятое за прототип. Оно включает прозрачный объект с внутриобъемным светорассеивающим рисунком и по крайней мере один источник подсвечивающего излучения. Основным недостатком указанного устройства [4] является недостаточная яркость и контрастность получаемого изображения, т.к. при обычном внешнем освещении изображение наблюдается на фоне излучения, отраженного от граней объекта и от окружающих предметов, которые наблюдатель видит через прозрачный объект.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ визуализации изображений и устройство для его осуществления, является повышение светоотдачи изображений на основе изделий с внутриобъемным рисунком, а достигаемый в обоих случаях технический результат заключается в повышении яркости и контрастности получаемых изображений.

Для достижения указанного технического результата, согласно известному способу визуализации изображений - прототипу, освещают прозрачный объект с внутриобъемным светорассеивающим рисунком по крайней мере одним источником излучения, однако, в отличие от прототипа, излучение направляют таким образом, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. При этом излучение источника распространяется в прозрачном объекте в так называемом "волноводном" режиме и, по мере прохождения в прозрачном объекте, освещает внутриобъемный рисунок. Таким образом, излучение подсветки оказывается запертым внутри прозрачного объекта и выходит из него только за счет рассеяния на элементах внутриобъемного светорассеивающего рисунка. Таким образом, повышается эффективность использования излучения подсвечивающего источника и возрастает яркость внутриобъемного рисунка. Кроме того, поскольку излучение подсвечивающего источника достигает глаз наблюдателя только в результате рассеяния на элементах рисунка, а лучи освещающего источника заперты в прозрачном объекте и не достигают напрямую глаз наблюдателя, освещенный рисунок рассматривается практически на нулевом фоне, что повышает его контрастность. При таком способе освещения лучи, напрямую отраженные от граней объекта и попадающие в глаз наблюдателя, отсутствуют, что также повышает контрастность изображения по сравнению с известными способами. Ясно, что форма прозрачных объектов и траектории подсвечивающих лучей от источника излучения могут быть выбраны весьма разнообразными, однако для реализации "волноводного" режима подсветки необходимо, чтобы по крайней мере первое отражение луча внутри прозрачного объекта от его грани происходило в режиме полного внутреннего отражения. Для этого луч после входа в объект должен падать на грань объекта изнутри под таким углом, чтобы выполнялось известное условие полного внутреннего отражения при переходе луча из среды с большим показателем преломления (прозрачный объект) в среду с меньшим показателем преломления (например, окружающий воздух). Очевидно также, что, согласно заявленному способу, прозрачный объект с внутриобъемным рисунком может быть изготовлен любым из доступных способов - при использовании лазерного, электронного, атомного или ионного пучков, пучков элементных частиц от ускорителей или радиоактивных источников, а также за счет электрического пробоя. Освещение прозрачного объекта со светорассеивающим внутриобъемным рисунком может осуществляться различными источниками света (газоразрядными лампами, лампами накаливания, светодиодами, лазерами и т. п. ), а также различным количеством источников излучения. При этом могут использоваться различные оптические элементы (светофильтры, дисперсионные элементы, линзы, поляризаторы) для изменения спектрального состава, диаграммы направленности и вариаций интенсивности излучения таких источников.

Возможна также реализация способа, при которой прозрачному объекту придают такую форму и так направляют источник излучения, что излучение, вводимое в объект, испытывает, полностью или частично, многократное полное внутреннее отражение. При такой реализации способа достигается более длинная траектория подсвечивающего луча внутри прозрачного объекта, большее число подсвечиваемых светорассеивающих внутриобъемных элементов рисунка и больший КПД использования излучения. При этом также достигается равномерное освещение внутриобъемного рисунка, что приводит к его максимальной художественной выразительности.

Возможна также реализация способа, при которой по крайней мере на некоторые грани объекта наносят светоотражающее покрытие. При этом отраженное от них излучение подсветки будет полностью заперто и будет выходить из объекта только за счет рассеяния на внутриобъемном рисунке, что приведет к повышению светоотдачи и улучшению его контрастности и выразительности.

Возможна также реализация способа, при которой по крайней мере на некоторые грани объекта наносят светопоглощающее покрытие. Такая реализация способа необходима для уменьшения фоновой засветки в том случае, когда прозрачный объект имеет сложную форму, и отраженное от некоторых граней излучение подсвечивающего источника может попадать в поле зрения наблюдателя.

Возможна также реализация способа, при которой в качестве прозрачного объекта со светорассеивающим рисунком используют листовое стекло, применяемое для остекления витрин, окон, различного рода ограждений и т.д., а излучение источника вводят через ненаблюдательную (узкую боковую) грань листового материала.

Возможна также реализация способа, при которой в качестве источника излучения используют лазер. При этом в результате интерференции рассеянного излучения на внутриобъемном рисунке наблюдаются спеклы, которые придают рисунку особую выразительность.

Возможна также реализация способа, при которой осуществляют модуляцию интенсивности излучения подсвечивающего источника по заданному закону (модуляция импульсная, синусоидальная, пилообразная и т.д.), что приводит к соответствующему изменению яркости внутриобъемного рисунка в времени.

Возможна также реализация способа, при которой изменяют во времени положение или диаграмму направленности по крайней мере одного источника излучения относительно объекта, при этом осуществляется последовательное освещение отдельных элементов внутриобъемного рисунка, что приводит к эффекту анимации изображения.

Возможна также реализация способа, при которой излучение источника вводят в объект через световод. При этом, во-первых, источник подсветки может находиться на значительном (десятки метров) удалении от прозрачного объекта со светорассеивающим рисунком, что особенно удобно при создании, например, наружной рекламы, и во-вторых, один источник подсветки может использоваться для освещения нескольких прозрачных объектов с внутриобъемным рисунком при помощи световодного делителя пучка, либо при помощи индивидуальных световодов. В последнем случае повышается коэффициент использования излучения источника, т.е. оно может быть собрано из телесного угла, близкого к 4π.
Возможна также реализация способа, при которой внутриобъемный рисунок в прозрачном объекте освещают излучением в узком спектральном диапазоне. При этом рисунок приобретает окраску, соответствующую длине волны излучения подсветки. Этот эффект окрашенного изображения достигается, например, при пропускании подсвечивающего излучения через цветной абсорбционный светофильтр или дисперсионный элемент вроде призмы, дифракционной или голографической решетки и т.д. Спектральный состав подсвечивающего излучения также можно менять во времени по некоторому закону, например с помощью перестраиваемого лазера, для достижения художественной выразительности.

Для осуществления заявленного способа устройство для визуализации изображения включает прозрачный объект с внутриобъемным светорассеивающим рисунком и по крайней мере один источник подсвечивающего излучения. При этом, в отличие от прототипа, источник излучения и прозрачный объект расположены относительного друг друга так, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. Ясно, что форма прозрачных объектов и траектории подсвечивающих лучей от источника излучения могут быть выбраны весьма разнообразными, однако для реализации "волноводного" режима подсветки необходимо, чтобы по крайней мере первое отражение луча внутри прозрачного объекта от его грани происходило в режиме полного внутреннего отражения.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой прозрачному объекту придана такая форма и излучение введено таким образом, что излучение, вводимое в объект, испытывает многократное полное внутреннее отражение. При этом достигается более длинная траектория подсвечивающего луча внутри прозрачного объекта, большее число подсвечиваемых светорассеивающих внутриобъемных элементов рисунка и больший КПД использования излучения, также равномерное освещение внутриобъемного рисунка, что приводит к его максимальной художественной выразительности.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой на некоторые грани объекта нанесено светоотражающее покрытие. При этом отраженное от них излучение подсветки будет полностью заперто и будет выходить из объекта только за счет рассеяния на внутриобъемном рисунке, что приведет к повышению светоотдачи и улучшению его контраста и выразительности.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой по крайней мере на некоторые грани объекта нанесено светопоглощающее покрытие. Такая реализация устройства необходима для уменьшения фоновой засветки в том случае, когда прозрачный объект имеет сложную форму, и отраженный от некоторых граней свет подсвечивающего источника может попадать в поле зрения наблюдателя.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой прозрачный объект со светорассеивающим рисунком выполнен из листового материала, применяемого для остекления витрин, окон, различного рода ограждений и т.д., а излучение источника вводят через ненаблюдательную (узкую боковую) грань листового материала.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой в качестве источника излучения использован лазер. При этом в результате интерференции рассеянного излучения на внутриобъемном рисунке наблюдаются спеклы, которые придают рисунку особую выразительность.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой интенсивность излучения подсвечивающего источника промодулирована по заданному закону (импульсная модуляция, модуляция по синусоидальному закону и т. д.), что приводит к соответствующему изменению яркости внутриобъемного рисунка во времени.

Возможна также реализация для визуализации изображения, при которой в устройство введены средства для изменения положения или диаграммы направленности по крайней мере одного источника излучения относительно объекта, при этом осуществляется последовательное освещение отдельных элементов рисунка, что приводит к эффекту анимации изображения. В качестве таких средств могут выступать различные оптические элементы с приводами, например от шаговых двигателей, для измерения диаграммы направленности источника излучения.

Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой излучение источника введено в объект через световод. При этом, во-первых, источник подсветки может находиться на значительном (десятки метров) удалении от прозрачного объекта со светорассеивающим рисунком, что особенно удобно при создании, например, наружной рекламы, и во-вторых, один источник подсветки может использоваться для освещения нескольких прозрачных объектов с внутриобъемным рисунком с помощью либо световодного делителя пучка, либо с помощью индивидуальных световодов. В последнем случае повышается коэффициент использования излучения источника, т.к. оно может быть собрано из телесного угла, близкого к 4π.
Возможна также реализация устройства для визуализации изображения, при которой внутриобъемный рисунок в прозрачном объекте освещен излучением в узком спектральном диапазоне. При этом рисунок приобретает окраску, соответствующую длине волны излучения подсветки. Этот эффект окрашенного изображения достигается, например, при пропускании подсвечивающего излучения через цветной абсорбционный светофильтр.

Преимущества предлагаемого изобретения и возможность его осуществления поясняются далее со ссылками на чертежи на фиг.1-3.

На фиг. 1 приведен вариант схемы устройства визуализации изображений в режиме по крайней мере однократного полного внутреннего отражения.

На фиг. 2 приведен вариант схемы устройства визуализации изображений в волноводном режиме многократного полного внутреннего отражения.

На фиг. 3 приведен вариант схемы устройства визуализации изображений в волноводном режиме многократного полного внутреннего отражения при наличии светоотражающих покрытий на боковой (наблюдательной) грани прозрачного объекта.

На фиг. 1 прозрачный объект (1) со светорассеивающим рисунком (2) освещается излучением источника света (3), которое перед падением на объект формируется в пучок заданной конфигурации с помощью оптической системы (4), обеспечивающей ввод излучения в режиме по крайней мере однократного полного внутреннего отражения в объекте. Экран из непрозрачного материала (5) полностью закрывает источник излучения и оптическую систему с тем, чтобы прямые лучи от источника излучения, не падающие на прозрачный объект, не попадали в поле зрения наблюдателя. Блок питания источника излучения (6) позволяет модулировать излучение по заданному закону. Цветные светофильтры (7), размещенные между оптической системой (4) и объектом (1), позволяют освещать светорассеивающее изображение излучением различных длин волн и таким образом придавать изображению ту или иную окраску.

На фиг. 2 показана реализация волноводного с многократным полным внутренним отражении режима освещения светорассеивающего рисунка в объекте. Прозрачный объект (1) со светорассеивающим рисунком (2) освещается излучением источника света (3). Лучи (8), рассеянные на внутриобъемном рисунке (2), выходят из объекта (1) и попадают в поле зрения наблюдателя.

На фиг.3 показана реализация способа в случае нанесения на одну из граней прозрачного объекта светоотражающего покрытия (9). В этом случае излучение после отражения от покрытия (9) возвращается назад к светорассеивающему рисунку (2) и освещает его повторно, что приводит к повышению светоотдачи.

Заявленные способ и устройство для визуализации изображений был опробован в лабораторных условиях, для чего в образцах из различных сортов стекла в форме параллелепипеда (витринного, оконного, оптического K8) были с помощью лазерной обработки в режиме оптического пробоя нанесены светорассеивающие рисунки. Затем грань образца, через которую в дальнейшем будет вводиться излучение подсветки, полировалась. Излучение галогенной лампы накаливания мощностью 100 Вт вводилось в образец через цилиндрическую выпуклую линзу, фокус который совмещался с зоной свечения лампы. Таким образом, после линзы формировался слаборасходящийся пучок подсвечивающего излучения, который направлялся в образец при выполнении условий полного внутреннего отражения. Несмотря на малую мощность использовавшейся лампы, контрастность внутриобъемного рисунка резко возрастала и рисунок был хорошо виден даже в условиях дневного освещения. Блок питания лампы позволял модулировать излучение в импульсном режиме или по синусоидальному закону на частоте от 0,1 до 25 Гц. При этом яркость изображения менялась по соответствующему закону. Поскольку в условиях обычного освещения прозрачный объект практически невидим, а внутриобъемный рисунок приобретал достаточно высокую яркость, достигался эффект "висящего" изображения в воздухе. Окраска изображений различными цветами осуществлялась путем помещения в подсвечивающий световой пучок абсорбционных стеклянных светофильтров.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для визуализации внутриобъемных изображений в прозрачных материалах, например при создании светящейся цветной рекламы в стеклянных окнах, витринах, ограждениях и т.д. Применение предложенного способа визуализации позволяет наблюдать внутриобъемные рисунки в прозрачных объектах даже в условиях дневного освещения, а наибольший эффект будет достигаться в условиях вечернего или ночного времени.

Источники информации:
1. А. Д. Ониско, Е.И. Клименко. Авторское свидетельство СССР N 891489. Открытия и изобретения. N 47, 1981.

2. Ю.А. Гулоян. Декоративная обработка стекла и стеклоизделий. М., Высшая школа, 1987, 222 с.

3. С. В. Ошемков. Способ лазерного формирования изображений в твердых средах. Патент РФ N 2008288, приоритет 23.04.1991. Открытия и изобретения, N 4, 1994 г.

4. В. В. Агаджанов, В.И. Гостев, В.В. Груздев и др. Способ изготовления декоративных изделий. Авторское свидетельство СССР N 321422, приоритет 16.11.1970. Открытия и изобретения, 1971, N 35.

Способ визуализации изображений и устройство для его осуществления заключаются в том, что для повышения светоотдачи изображений излучение направляют таким образом, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ визуализации изображения, заключающийся в освещении источником излучения прозрачного объекта с внутриобъемным светорассеивающим рисунком, отличающийся тем, что излучение направляют таким образом, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что излучение вводят под углом, обеспечивающим по крайней мере однократное полное внутреннее отражение части излучения, достигающего внутриобъемного светорассеивающего рисунка в прозрачном объекте. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что прозрачному объекту придают такую форму, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. 4. Способ по п.1 - 3, отличающийся тем, что прозрачному объекту придают такую форму и вводят излучение в объект таким образом, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает многократное полное внутреннее отражение. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что на некоторые грани прозрачного объекта наносят светоотражающее покрытие. 6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что на некоторые грани прозрачного объекта наносят светопоглощающее покрытие. 7. Способ по пп.2 - 6, отличающийся тем, что прозрачный объект выполняют из листового материала, а излучение источника вводят через наблюдательную узкую боковую грань листового материала. 8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используется лазер. 9. Способ по пп.1 - 8, отличающийся тем, что изменяют во времени положение и/или диаграмму направленности источника излучения относительно прозрачного объекта. 10. Способ по пп.1 - 9, отличающийся тем, что интенсивность излучения источника излучения модулируют по заданному закону. 11. Способ по пп.1 - 10, отличающийся тем, что излучение источника вводят в прозрачный объект через световод. 12. Способ по пп.1 - 11, отличающийся тем, что излучение источника излучения перед вводом в прозрачный объект пропускают через цветной светофильтр. 13. Устройство для визуализации изображения, содержащее прозрачный объект с внутриобъемным светорассеивающим рисунком и источник излучения, отличающееся тем, что источник излучения и прозрачный объект расположены относительно друг друга так, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает по крайней мере однократное полное внутреннее отражение в прозрачном объекте. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что прозрачному объекту придана такая форма и излучение введено в объект таким образом, что часть излучения, достигающая внутриобъемного светорассеивающего рисунка, испытывает многократное полное внутреннее отражение. 15. Устройство по пп.13 и 14, отличающееся тем, что на некоторые грани прозрачного объекта нанесено светоотражающее покрытие. 16. Устройство по пп.13 - 15, отличающееся тем, что на некоторые грани прозрачного объекта нанесено светопоглощающее покрытие. 17. Устройство по пп.14 - 16, отличающееся тем, что прозрачный объект выполнен из листового материала, а излучение источника введено через ненаблюдательную узкую боковую грань листового материала. 18. Устройство по пп.13 - 17, отличающееся тем, что в качестве источника излучения использован лазер. 19. Устройство по пп.13 - 18, отличающееся тем, что изменяют во времени положение и/или диаграмму направленности источника излучения относительно прозрачного объекта. 20. Устройство по пп.13 - 19, отличающееся тем, что интенсивность источника промодулирована по заданному закону. 21. Устройство по пп.13 - 20, отличающееся тем, что излучение источника введено в прозрачный объект через световод. 22. Устройство по пп.11 - 19, отличающееся тем, что излучение источника излучения перед вводом в прозрачный объект пропущено через цветной светофильтр.