ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G02B6/04 

Изобретение относится к устройствам оптического приборостроения, преимущественно к волоконно-оптическим системам трансформации и передачи изображений. Использование волоконно-оптических преобразователей, в дальнейшем ВОП, существенно расширяет области использования оптических проекционных систем.

Известны волоконно-оптические элементы, предназначенные для передачи информации, которые называются "светопроводы с регулярной укладкой световолокон" [1] . Благодаря регулярности /порядку/ укладки изображение передается с одного торца светопровода на другой без искажения, т.е. указанные элементы не осуществляют преобразований изображений.

В качестве аналогов могут быть приняты к рассмотрению такие оптико-волоконные системы, как "поворотники изображений", "корректоры дисторсии или кривизны поля" [2-4] . Конструкция этих элементов также не предусматривает никаких преобразований изображений.

К аналогам могут быть отнесены волоконно-оптические элементы, которые изменяют масштабность исходного изображения по двум или по одной координатам, например, волоконный анаморфот, являющийся аналогом цилиндрической линзы, сжимают или расширяют исходное изображение по одной координате с масштабностью M > 1/M < 1/. Волоконно-оптические фоконы изменяют масштабность изображений по двум координатам. Указанные аналоги [5-7] также не нарушают структуры исходного изображения, поэтому не могут считаться ВОП.

К аналогам с функциями преобразователя изображений могут быть отнесены волоконно-оптические диссекторы изображений [8], сканирующие системы [9], осуществляющие смешение или разделение исходных изображений, их сканирование по схеме "кадр-строка", "круг-кольцо", "кольцо-строка". Волоконно-оптические кодирующие-декодирующие системы [10, 11] исходное изображение на выходе преобразуют в "хаотический набор световых импульсов", который не имеет ничего общего с исходной информацией. Все приведенные волоконные системы объединяет единый признак - "нарушение регулярности /порядка/ укладки элементарных световодов в светопроводящем жгуте". Для каждого типа элементов присуща своя закономерность нерегулярности, благодаря которой и осуществляется преобразование изображений.

Прототипом волоконно-оптического преобразователя изображений является оптический элемент, используемый в конструкции проекционного устройства формирования изображений [12]. Этот элемент выполнен из набора светопроводящих волокон с нерегулярной укладкой. В оптической схеме проектора указанный преобразователь или трансформатор изображений установлен между проекционным объективом с одной стороны и подвижной цветовой матрице, освещаемой источником света, с другой. В виду нерегулярной укладки световодов исходное изображение преобразуется и формируется на выходном торце в виде цветодинамических изображений. При движении цветовой матрицы и при перемещении самого ВОП происходит "комбинаторное преобразование формы и траектории перемещения исходных изображений". Волоконные преобразователи с нерегулярной укладкой волокон в дальнейшем будем называть "волоконно-оптические преобразователи комбинаторного типа".

ВОП комбинаторного типа, используемый в проекторах, имеет ряд недостатков, которые ограничивают области использования и не дают возможность получить новые цветооптические эффекты, например при увеличении диаметра или площади поперечного сечения самого преобразователя. Эти ограничения связаны в первую очередь с ограничениями, которые диктуются законами физической оптики. Для иллюстрации введем коэффициент нерегулярности укладки, который определяется соотношением
,
где
количество светопроводящих элементов, уложенных нерегулярно в матрице {S*ij

} выхода преобразователя относительно регулярности матрицы { S_ij} входа;
{S} - общее число светопроводящих элементов в ВОП.

При K = 0 исходные изображения с входного торца на выходной передаются без искажений, т. е. имеем "нуль преобразование". При увеличении K --> 1 нарушается порядок укладки светопроводов вплоть до хаоса, т.е. полная трансформация формы и траектории движения исходного изображения. Известно [1] , что с помощью оптических волокон изображение передается в виде мозаики разноокрашенных точек. При K = 1 эти точки в матрице выхода {S*ij

} распределены случайным образом. Согласно закону аддитивного сложения цветов указанный матричный набор хаотически расположенных разноокрашенных точек "порождает аддитивно белый цвет". Т.о., на коэффициент нерегулярности ВОП комбинаторного типа необходимо ввести оптимальные ограничения, имея при этом в виду, что коэффициент K должен быть максимальным, чтобы получить на выходе цветодинамические изображения с непредсказуемыми изменениями формы и траектории и минимальным, чтобы не потерять цветовую гамму исходного изображения. В результате длительных испытаний и апробаций ВОП комбинаторного типа получены эмпирические значения коэффициента нерегулярности K в пределах 0,3 ≤ K ≤ 0,7. По этой причине максимальный диаметр преобразователя цилиндрической формы ограничен диаметром 20 мм.

Приведенное противоречие устраняется при использовании конструкции нового типа волоконно-оптических преобразователей "комбинаторно-топологического типа". В терминах волоконной оптики ВОП комбинаторно-топологического типа определяется следующими признаками:
- преобразователь выполнен из набора светопроводящих жгутов, каждый из которых в свою очеред, сформирован из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов;
- жгуты уложены в преобразователе нерегулярно;
- на входе и выходе преобразователя светопроводящие жгуты в силу независимости светопроводящих элементов сдеформированы в поперечном направлении, образуя компактное объединение множества сечений, ограниченных площадями входного и выходного торцев.

Последний из приведенных признаков обозначает, что между сопряженными сечениями на входе-выходе каждого светопроводящего жгута существуют топологические подобия. Благодаря принципу "топологических подобий" ВОП получает к уже известному комбинаторному преобразованию свою дополнительную функцию Т. о. , объединение принципов комбинаторного и топологического преобразований исходных изображений позволяют реализовать ВОП "комбинаторно-топологического типа".

Для этих преобразователей имеются два уровня нерегулярности расположения светопроводящих элементов:
- первый уровень - коэффициент нерегулярности элементарных светопроводов подчиняется неравенствам 0,3≤ K ≤0,7;
- второй уровень - коэффициент нерегулярности светопроводящих жгутов 0≤ K ≤1,0.

Таким образом, поставленная цель расширения областей использования ВОП первичных изображений и получение новых цветооптических эффектов достигается тем, что известный преобразователь, состоящий из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов, входные торцы которых оптически связаны с оптической системой источника света и со средством изменения спектрального состава излучения, а выходные - с линзовой системой проецирования изображений, указанные светопроводящие элементы выполнены в виде светопроводящих жгутов, деформированные поперечные сечения которых на входе и выходе объединены в компактные множества, при этом коэффициент нерегулярности K укладки светопроводящих волокон в каждом жгуте выбран из соотношения
0,3 ≤ K ≤ 0,7,
где ; число светопроводящих волокон в жгуте с нарушением регулярности их укладки;
{S} - общее число светопроводящих волокон в жгуте.

Светопроводящие жгуты могут быть размещены внутри жесткого корпуса, снабженного кинематической связью с механизмом перемещения по одной или двум координатам.

Площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника.

Принцип работы волоконно-оптического преобразователя комбинаторно-топологического типа, а также различные варианты конструктивного исполнения их представлены на фиг. 1 - 7:
фиг.1 - иллюстрация принципа комбинаторно-топологического преобразования первичных изображений;
фиг.2 - вариант исполнения ВОП в бескорпусном виде;
фиг. 3 - вариант ВОП с тремя оптическими каналами /по типу волоконного диссектора/;
фиг.4 - ВОП, размещенные в корпусах;
фиг.5 - ВОП с коаксиальным размещением светопроводящих жгутов;
фиг.6 - вариант ВОП в виде цилиндрической шайбы;
фиг.7 - принципиальные оптико-механические схемы проекторов с различными ВОП.

Графическая иллюстрация комбинаторно-топологических преобразований /фиг. 1/ приведена для ВОП прямоугольной формы, который для удобства изложения выполнен в виде девяти прямоугольных по сечению жгутов. Их компактные объединения образуют входной 2 и выходной 3 торцы. На входном торце 2 все девять сечений жгутов расположены упорядоченно, образуя матрицу размером {3 x 3}. Выходной торец 3 имеет такой же прямоугольный контур, но все девять выходных торцев сдеформированы и образуют самостоятельную матрицу, как показано на фиг. 1-А. Т.к. использована комбинаторная нерегулярность, то координаты входов светопроводящих элементов отличны от их координат выхода. Исходное изображение 4 полностью заполняет любой из прямоугольных элементов (2,1) _→ (2,2) _→ (2,3). Из-за комбинаторной нерегулярности происходит нарушение траектории движения преобразованного изображения в последовательности (2,1^*) _→ (2,2^*) _→ (2,3^*), как показано на фиг.1. Благодаря топологическому преобразованию прямоугольные формы входных сечений представляются в виде их топологических подобий. Т.о. комбинаторно-топологические преобразования обеспечивают ВОП "преобразования порядка, траектории движения и формы первичных изображений".

ВОП изображений могут быть выполнены монолитными без корпусов /фиг.2/ сложной формы. Светопроводящие жгуты 1 могут быть изогнуты в любом направлении и затем эта форма остается неизменной. Источники первичных изображений 4 собраны в единую цветовую программу, диск.

На фиг.3 представлен вариант ВОП, который реализует одновременно с комбинаторно-топологическим преобразованием функции оптико-волоконных диссекторов [8,9] по схемам "оптического смешивания" первичных изображений 4-1, 4-2, 4-3 на один общий выходной торец 2 или "оптического разделения исходного изображения /фиг.3-Б/ на три выходных торца. Такая конструкция ВОП сложна, но обеспечивает высокую степень оптических связей для проекционных систем.

Корпусное исполнение ВОП, представленное на фиг.4, наиболее распространенная конструкция. По типу корпуса ВОП может быть цилиндрическим /фиг. 4-А/, прямоугольным /фиг.4-Б/ или комбинированным /фиг.4-В/. Цилиндрические корпуса 6 посредством зубчатого колеса 7 обеспечивает ВОП вращение вокруг оси. В прямоугольном корпусе 6 могут быть размещены несколько ВОП, которые посредством простого кулисного механизма могут перемещаться поперек оптической оси. Любое перемещение ВОП относительно оптической оси изменяет координаты положения входа благодаря чему появляются новые варианты комбинаторной нерегулярности. Иллюстрацией таких изменений координат может служить ВОП комбинированной формы /фиг. 4-В/. В прямоугольной части - размещены последовательно три жгута 1-1, 1-2, 1-3, а на выходе их сопряженные торцы сформированы в виде трех концентрических колец 1-1^*, 1-2^*, 1-3^*. Такая топология определяет формирование "цветовых концентрических волн". Направление перемещения таких волн зависит от ориентации входного торца 2. Если направление засветки идет от жгута 1-1 к жгуту 1-3, то концентрические волны на выходе будут иметь направление от периферии к центру. При повороте торца 2 на 180^o это направление меняется на противоположное - от центра к периферии.

На фиг. 5 представлена конструкция ВОП в виде коаксиального трубчатого корпуса, кольцевое пространство которого компактно заполнено набором светопроводящих жгутов 1. Посредством зубчатого колеса 7 ВОП вращается вокруг геометрической оси, последовательно перемещая входные и выходные торцы жгутов 1.

На фиг. 6 ВОП выполнен в виде цилиндрической шайбы, в которой светопроводящие жгуты 1 с нерегулярной укладкой размещаются перекрестно друг другу в пространстве между двумя шайбами 8, 9. Цилиндрическая поверхность шайбы образует бесконечный "входной-выходной" торец. Шайба вращается вокруг геометрической оси посредством шестерни 7, фиксируемой винтом 10.

После комбинаторно-топологического преобразования цветодинамические изображения формируются на выходном торце и проецируются на экран. Оптико-механические схемы цветодинамических проекторов представлены на фиг.7. Во всех приведенных схемах имеются проекционный источник света 11, подвижная цветовая матрица 12 из набора светофильтров 4, оптический преобразователь 6 в корпусе и проекционный объектив 13. Изображения проецируются на экране 14, а для перемещения матрицы 12 и преобразователя 6 предусмотрено наличие одного или двух малооборотных электродвигателей 15. Так, на фиг.7-А проекционный блок снабжен преобразователем 6 цилиндрической формы.

На фиг. 7-Б проектор снабжен преобразователем в корпусе 6 прямоугольной формы, который относительно оптической оси совершает возвратно-поступательные перемещения посредством кулисного механизма и электродвигателя 15.

На фиг.7-В представлена схема с ВОП в виде оптико-волоконной шайбы.

Проекционные проекторы могут выполняться самых разнообразных световых мощностей. Так, если необходимо цветодинамический проектор выполнить в виде малогабаритного, декоративного светильника, то блок проектора выполняется малогабаритным для его размещения внутри корпуса светильника. Для этих образцов энергетическая мощность выбирается в пределах от 30 до 100 Вт.

Для проецирования цветодинамических изображений на большие расстояния и на большие площади используются разнообразные проекторы с мощностями от 150 до 4000 Вт.

Источники информации
1. Н. Капани. "Волоконная оптика", "МИР", М. 1969, с.104 дополнительно: В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", "Машиностроение", М. с. 15; с. 291.

2. Н.Капани. "Волоконная оптика," с. 347.

3. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 262.

4. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 128.

5. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 5.

6. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 25.

7. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 269.

8. Н. Капани. "Волоконная оптика", с. 287 дополнительно: В.Б.Вейнберг . "Оптика световодов", с. 19.

9. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 350 дополнительно: В.Б.Вейнберг, Д. К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 19.

10. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 26.

11. Н.Капани. "Оптика волоконная", с. 353.

12. Патент России N 1320585, МКИ F 21 P 3/00, опубл. 11.04.96 дополнительно: Авторское свидетельство N 1440521, A 61 B, A 63 17/00 опубл. 30.11.88.

Волоконно-оптический преобразователь используется в оптических проекционных системах. Преобразователь состоит из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов, входные торцы которых оптически связаны с оптической системой источника света и со средством изменения спектрального состава излучения, а выходные - с линзовой системой проецирования изображений. Светопроводящие элементы выполнены в виде светопроводящих жгутов, деформированные поперечные сечения которых на входе и выходе объединены в компактные множества. Коэффициент нерегулярности и укладки светопроводящих волокон в каждом жгуте выбран из определенного соотношения. Преобразователь может быть размещен внутрь жесткого корпуса и посредством кинематической связи перемещаться по одной или двум координатам. Площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника света. Расширена область использования, получены новые цветооптические эффекты. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Волоконно-оптический преобразователь изображений, состоящий из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов, входные торцы которых оптически связаны с оптической системой источника света и со средством изменения спектрального состава излучения, а выходные - с линзовой системой проецирования изображений, отличающийся тем, что светопроводящие элементы выполнены в виде светопроводящих жгутов, деформированные поперечные сечения которых на входе и выходе объединены в компактные множества, при этом коэффициент нерегулярности K укладки светопроводящих волокон в каждом жгуте выбран из соотношения
0,3 ≤ K ≤ 0,7,
где
число светопроводящих волокон в жгуте с нарушением регулярности их укладки;
{S} - общее число светопроводящих волокон в жгуте. 2. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что светопроводящие жгуты размещены внутри жесткого корпуса, снабженного кинематической связью с механизмом перемещения по одной или двум координатам. 3. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника.