СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК H04B10/02 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти широкое применение для создания преобразователей изображения, работающих в реальном масштабе времени и осуществляющих спектральное кодирование - декодирование оптических сигналов, а также в колориметрических системах.

Известен способ преобразования цвето-яркостного оптического сигнала, основанный на аддитивном (суммирование нескольких разноцветных излучений) или субтрактивном (вычитание одного цвета из другого) воспроизведении [1]. При этом результирующий цвет определяется цветами смешиваемых излучений [1, с. 232]. Устройства с аддитивным сложением цветов (колориметры) основаны на оптическом смешении трех цветных излучений, получаемых фильтрацией излучения источника сравнения тремя разделяющими светофильтрами (например: красным, зеленым и синим) или диспергирующими элементами [2]. При этом аддитивное смешение цветов может быть: оптическим (с помощью многократных отражений в диффузной камере), последовательным (путем быстро чередующихся вспышек излучений разных спектров и частотой, превышающей критическую частоту мелькания) и пространственным (определяется исходными цветами системы воспроизведения и соотношением площадей, занятых элементами каждого цвета в пределах общего поля). Простейшим аддитивным колориметром является диск (обтюратор) Максвелла, состоящий из трех разноцветных (красный, зеленый и синий), а также двух дополнительных (белого и черного) секторов, который приводится во вращение, обеспечивающее слитное восприятие цвета вращающихся секторов [1, с. 399]. В субтрактивных колориметрах (денситометрах) воспроизведение цвета осуществляется фильтрацией излучения источника с помощью трех цветных светофильтров (клиньев), последовательно расположенных по направлению распространения излучения [1, с. 369, рис. 2.78].

Недостатками данного способа являются: во-первых, невозможность пространственно-временного преобразования оптического сигнала, во-вторых, невозможность оперативно перестраивать спектр оптического излучения управляющим (электрическим или оптическим) сигналом и, в-третьих, невозможность одновременного аддитивного и субтрактивного смешения цветов в преобразуемом оптическом сигнале.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ, использующий внутреннюю фотоэлектрическую обратную связь (ОС) в пространственно-временном модуляторе света (ПВМС) [3, с. 225] . Способ заключается в двустороннем проецировании на фотополупроводник (ФП) фотоактивного света: с одной стороны, записывающего света, а с другой стороны, пространственно промодулированного по интенсивности электрооптическим кристаллом (ЭОК) считывающего (преобразованного) света, распространяемого навстречу записывающему свету, при этом ФП и ЭОК объединены по оптическому каналу и цепи питания.

Устройство, реализующее способ по внутренней фотоэлектрической ОС, содержит последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительную призму, ПВМС, состоящий из входного прозрачного электропроводящего слоя, диэлектрического слоя, ФП, поляризационного слоя, ЭОК и выходного электропроводящего слоя, и поляризационную призму. Считывающий свет проходит через поляризационную призму и попадает на ЭОК, пространственная текстура которого сформирована на основе ориентационных или гибридного электрооптических эффектов. Вследствие пространственной модуляции фотопроводимости в ФП при проецировании записывающего света приложенное к электропроводящим слоям и сконцентрированное, в основном, на ФП внешнее напряжение перераспределяется на ЭОК. При достижении пороговых значений напряжений в ЭОК на участках, соответствующих освещенным участкам ФП, происходит разрушение текстурированной толщи ЭОК. Плоскополяризованный считывающий свет, проходящий ЭОК на участках текстурированных разрушений, изменяет фазу поляризации и посредством поляризационного слоя преобразуется в промодулированный по интенсивности.

Основным недостатком способа и устройства является невозможность спектрального преобразования считывающего света.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей.

Это достигается за счет двустороннего автопроецирования на высокоомный ФП и коллинеарного прохождения через ЭОК промодулированного в пространстве по интенсивности i (x, y) - ЭОК и по спектру δλ_i(x,y) - матрицей микродискретных отверстий, периодически заполненных светопроводящим материалом с разным спектром пропускания dλ_i, и дополнительно промодулированного по спектру во времени δλ_j(t) - обтюратором, секторы которого имеют разные спектры пропускания δλ_j, считывающего света: прямого i(x,y,δλ) и обратно коллинеарно отраженного i^*(x,y,δλ_i,j,f).
Способ и устройство для его реализации поясняются фиг.1 - 4. На фиг.2 и 4 показаны варианты выполнения обтюраторов, соответственно, диаметром d₁ и d₂ (d₁<d₂₎, состоящих из секторов (светофильтров) с заданными спектрами пропускания dλ_j, количеством j, площадью и последовательностью их расположения. Устройство содержит: 1 - объектив, 2 - светоделительную призму; ПВМС, содержащий: 3, 9 - соответственно, входной и выходной прозрачные электропроводящие слои, 4 - диэлектрический слой, выполненный в виде матрицы микродискретных отверстий, периодически заполненных светопроводящим материалом с разными спектрами пропускания dλ_i [4], 5 - высокоомный фотополупроводник (ФП), 6 - зарядовые рельефы, образованные в объеме ФП с двух сторон, соответственно: с одной стороны, по направлению распространения записывающего света E(x,y,Δλ_i) и коллинеарно отраженного и промодулированного по спектру в пространстве δλ_i(x,y) и во времени δλ_j(t) считывающего света i^*(x,y,δλ_i,j,f), и, с другой стороны, по направлению распространения пространственно промодулированного считывающего света i(x,y,δλ), направленного встречно записывающему, 7 - поляризационный слой, 8 - электрооптический кристалл (ЭОК); 10 - поляризационную светоделительную призму, 11 - зеркало, 12 - обтюратор, 13 - электромеханический привод и 14 - фотодатчик.

Сущность предлагаемого способа преобразования цвето-яркостного оптического сигнала состоит в следующем. Записывающий свет (изображение) через объектив 1, светоделительную призму 2, входной электропроводящий слой 3, диэлектрический слой 4 проецируют на ФП 5, в объеме которого происходит фотоэлектрическое преобразование, т. е. преобразование оптического изображения в пространственно распределенный (х,y) электрический сигнал (зарядовый рельеф 6), пропорциональный пространственно промодулированной интенсивности E₀(x,y,Δλ) записывающего света. При этом фотогенерация зарядового рельефа происходит лишь на тех участках ФП, которые находятся под участками матрицы микродискретных отверстий, периодически заполненных материалами светофильтров со спектром пропускания dλ_i, где i=2, 3, 4... n, через которые прошел записывающий свет [4]. Плоскополяризованный пространственно-однородный считывающий свет i₀(δλ) проецируют коллинеарно навстречу записывающему свету через светоделительную поляризационную призму 10 и выходной электропроводящий слой 9 со стороны ЭОК 8, в котором происходит электрооптическое преобразование, т. е. оптическая активность ЭОК, управляемая пространственно распределенной (х, y) напряженностью электрического поля, изменяет фазу поляризации считывающего света i₀(δλ). Зарядовый рельеф 6 приводит к пространственному перераспределению напряженности электрического поля в ЭОК. При достижении порогового значения пространственно распределенной напряженности в ЭОК на участках (х,y), соответствующих освещенным участкам ФП, происходит разрушение текстурированной толщи ЭОК. На участках (х,y) текстурированных разрушений считывающий свет вновь изменяет фазу поляризации. При этом фазовая модуляция поляризации преобразуется поляризационным слоем 7 в модуляцию по интенсивности i(x,y,δλ). Пространственно промодулированный по интенсивности в соответствии с пространственно распределенными (х,y) разрушениями в текстурированной толще ЭОК считывающий свет i(x,y,δλ), содержащий фотоактивное для высокоомного ФП излучение, распространяется в слой ФП, вызывая в нем добавочную фотогенерацию зарядового рельефа 6. Пространственно промодулированный по интенсивности и прошедший через ФП 5 считывающий свет i(x,y,δλ) матрицируется диэлектрическим слоем 4, выполненным в виде матрицы микродискретных отверстий, заполненных материалами разных i - светофильтров, и субтрактивно (δλ_i= δλ-dλ_i(x,y)) преобразуется в пространственно промодулированный по интенсивности и спектру считывающий свет i(x,y,δλ_i). Далее, распространяясь к зеркалу 11, свет i(x,y,δλ_i) модулируется по спектру dλ_j во времени t обтюратором 12. Вращение обтюратора с циклической частотой ω = 2πf осуществляется электромеханическим приводом 13. Поскольку обтюратор выполнен в виде секторов, состоящих из j-светофильтров с заданными спектрами пропускания dλ_j (j=0,1,2,3...N) (фиг.2), то за один полный оборот обтюратора спектр δλ_i считывающего света субтрактивно преобразуется j - раз в спектры δλ_i,j (δλ_i,j= δλ-dλ_i(x,y)-2•dλ_j(t), множитель 2 у третьего члена тождества соответствует двукратному прохождению света через j-светофильтр (прямому и обратно отраженному) считывающего света i^*(x,y,δλ_i,j,f). Коллинеарно отраженный зеркалом 11 считывающий свет i^*(x,y,δλ_i,j,f), распространяясь в обратном направлении, по направлению записывающего света, вторично вызывает добавочную фотогенерацию зарядового рельефа 6 в объеме ФП 5 лишь в том случае, когда субтрактивный спектр δλ_i,j содержит фотоактивную для ФП составляющую. Зарядовые рельефы, соответственно, по записывающему E₀(x,y,Δλ_i) и считывающему прямому i(x,y,δλ) и обратно отраженному i^*(x,y,δλ_i,j,f) свету пространственно совмещаются в объеме ФП, а их амплитудные текстуры пропорциональны, соответственно, пространственно-распределенным интенсивностям записывающего и считывающего света.

В результате суммирования пространственно-неоднородного записывающего света E₀(x,y,Δλ_i) (матрицированного диэлектрическим слоем 4 и прошедшего через ПВМС) и промодулированного по спектру в пространстве и времени считывающего света i^*(x,y,δλ_i,j,f) на выходе устройства в каждый момент времени оптический сигнал преобразуется в I(x,y,Σλ,t) = E₀(x,y,Δλ_i)+i^*(x,y,δλ_i,j,f), где Σλ = Δλ_i+δλ_i,j. При этом аддитивное преобразование свето-яркостного оптического сигнала осуществляется путем быстро чередующихся с частотой f субтрактивных излучений δλ_i,j разных спектров. Временная модуляция считывающего света светофильтрами δλ_j обтюратора 12 (фиг.2) может осуществляться раздельно как по коллинеарно отраженному потоку i^*(x,y,δλ_i,j,f) (фиг.1), так и по прямому исходному потоку i₀(δλ).
При одновременной спектрально-временной модуляции одним обтюратором (фиг. 3, 4) с заданным количеством, площадью и последовательностью расположения j - фильтров, потоков i₀(δλ) и
i(x,y,δλ_i) считывающего света, расположенных радиально-компланарно по плоскости обтюратора, исходный спектр δλ считывающего света на выходе устройства в каждый момент времени будет субтрактивно преобразованным в спектр δλ_j,i,j= δλ-dλ_j(t+π)-dλ_i(x,y)-2•dλ_j(t). При этом увеличиваются комбинации возможных сочетаний аддитивного и субтрактивного смешения цветов. Одновременная модуляция потоков i₀(δλ) и i^*(x,y,δλ_i) считывающего света светофильтрами dλ_j (фиг. 3) может осуществляться раздельно двумя обтюраторами с заданным количеством, площадью и последовательностью расположения светофильтров, вращающимися синхронно или по заданному закону.

Пространственное интегрирование преобразованного оптического сигнала I(x,y,Σλ,t) на выходе устройства (например, фокусирующей линзой, на фигурах не показана), аддитивно смешивает цвета в соответствии с соотношением площадей, занятых элементами каждого цвета в пределах апертуры.

Введение фотодатчика 14 с заданной спектральной фоточувствительностью, оптически связанного светоделенной частью i(δλ_j,f,t) считывающего света, промодулированного по спектру во времени обтюратором 12 (фиг.3) и электрически связанного с устройством обработки оптического сигнала I(x,y,Σλ,t) (на фигурах не показано), позволяет осуществлять контроль и управление по заданному закону работой заявляемого устройства. По амплитудам фотооткликов фотодатчика 14 в заданные моменты времени осуществляется электронное декодирование преобразованного оптического сигнала I(x,y,Σλ,t), по которому определяют спектральный состав временного аддитивно-субтрактивного преобразования оптического сигнала. Спектральное кодирование и декодирование оптических сигналов возможно так же при оптической связи фотодатчика 14 светоделенной частью i(x,y,δλ_j,i,j,f,t) считывающего света, промодулированного по спектру в пространстве и времени (на фиг. 3 показано штриховыми линиями). При этом светоделенная часть i(x,y,δλ_j,i,j,f,t) считывающего света несет в себе пространственную свето-яркостную информацию (изображение), которая содержится в преобразованном оптическом сигнале I(x,y,Σλ,t).
Поскольку преобразованный оптический сигнал I(x,y,Σλ,t) является суммой аддитивно-субтрактивного смешения записывающего E₀(x,y,Δλ_i) (матрицируемого диэлектрическим слоем 4) и модулируемого по спектру в пространстве ПВМС и времени обтюратором считывающего света i^*(x,y,δλ_i,j,f,t), то задавая исходные компоненты преобразования (управления) (интенсивность i₀ и спектр δλ считывающего света; спектры пропускания dλ_i,dλ_j светофильтров, их количество i= 1,2,3. .. n, j=1,2,3... N, и последовательность расположения; частота ω и направление вращения обтюратора) и регистрируя в заданный момент времени преобразованный оптический сигнал I(x,y,Σλ,t) или i(δλ_j,f,t) i(x,y,δλ_j,i,j,f,t), можно определить (декодировать) спектральный состав Δλ и пространственную текстуру (х,y) исходного записывающего света E₀(x,y,Δλ).
Таким образом, благодаря внутренней фотоэлектрической ОС, формируемой первично по прямому считывающему свету i(x,y,δλ) и вторично по коллинеарно отраженному субтрактивному считывающему свету i^*(x,y,δλ_i,j), фотогенерируемые в ФП 5 зарядовые рельефы и, следовательно, электрооптический отклик ЭОК 8 пропорциональны аддитивному смешению спектров записывающего и считывающего света. При этом суммарный считывающий свет на выходе устройства является результатом одновременного аддитивного пространственно-последовательного и субтрактивного смешения цветов. При преобразовании оптического сигнала погрешность совмещения исходного E₀(x,y,Δλ_i) и преобразованных автопроецируемых i(x,y,δλ) и i^*(x,y,δλ_i,j) изображений по цепи оптической ОС будет определяться лишь погрешностью коллинеарности потоков записывающего и считывающего света. При выполнении условия коллинеарности координаты исходного и преобразованных изображений совмещаются.

Существенным отличительным признаком заявленного способа преобразования оптического сигнала и устройства для его реализации является аддитивно-субтрактивное преобразование свето-яркостного оптического сигнала в пространстве ПВМС и во времени, модулируемого частотой вращения обтюратора, который состоит из нескольких секторов с разными спектрами светопропускания.

Преимущества заявляемого способа преобразования оптического сигнала и устройства для его реализации по сравнению с прототипом заключаются в расширении функциональных возможностей преобразования оптических сигналов: во-первых, аддитивно-субтрактивное пространственно-последовательное преобразование спектра, во-вторых, пространственно-спектральное кодирование - декодирование, и, в-третьих, появляется возможность оперативно перестраивать спектр преобразуемого оптического сигнала посредством управляющих электрического или оптических сигналов.

Кроме того, достоинствами заявляемых способа и устройства являются: во-первых, повышение контраста преобразуемого оптического сигнала при двукратном воздействии оптической активности ЭОК при прямом и обратном коллинеарном прохождении считывающего света, и, во-вторых, осуществление прецизионной внутренней фотоэлектрической ОС (автопроецирование и совмещение исходного и преобразуемых изображений при коллинеарности записывающего и считывающего света), поскольку управляющим оптическим сигналом служит непосредственно считывающий свет, имеющий в своем составе фотоактивную для ФП составляющую.

Источники информации
1. Мешков В. В. , Матвеев А.Б. Основы светотехники. Ч.2 М.: Энергоатомиздат, 1989 (аналог).

2. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. - Л.: Машиностроение, 1975.

3. Васильев А. А. , Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь, 1987 (прототип).

4. Патент 2018957. Носитель оптической информации. Захаров И.С., Спирин Е.А., Мокроусов Г.М. Зарегистрирован 04.08.94 г.

Изобретение относится к оптической обработке информации. Технический результат состоит в аддитивно-субтрактивном преобразовании пространственно-временным модулятором света цветояркостного оптического сигнала. Это достигается за счет двустороннего автопроецирования на высокоомный фотополупроводник пространственно-временного модулятора света и двойного коллинеарного прохождения через электрооптический кристалл промодулированного по спектру света: в пространстве по интенсивности считывающего прямого i(x,y,δλ) и обратного коллинеарно отраженного i^*(x,y,δλ_ij) света, и во времени t частотой f вращения обтюратора, состоящего из нескольких секторов с разными спектрами светопропускания. При этом преобразуемый оптический сигнал матрицируется диэлектрическим слоем, выполненным в виде матрицы микродискретных отверстий, периодически заполненных светопроводящим материалом с разными спектрами пропускания, а спектр δλ считывающего света содержит также и фотоактивную для фотополупроводника составляющую излучения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования оптического сигнала, заключающийся в проецировании с одной стороны объективом записывающего света на высокоомный фотополупроводник пространственно-временного модулятора света, содержащего последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света входной электропроводящий слой, диэлектрический слой, который выполнен в виде матрицы микродискретных отверстий, периодически заполненных сверхпроводящими материалами с разными спектрами пропускания, высокоомный фотополупроводник, поляризационный слой, электрооптический кристалл и выходной прозрачный электропроводящий слой, объединенные в единое целое, с другой стороны - промодулированного в пространстве по интенсивности и по спектру считывающего света, прошедшего через поляризационную светоделительную призму, выходной прозрачный электропроводящий слой, электрооптический кристалл и поляризационный слой, в соответствии с зарядовым рельефом в слое высокоомного фотополупроводника, фотогенерированным промодулированным в пространстве по интенсивности и по спектру записывающим светом, отличающийся тем, что промодулированный в пространстве по интенсивности и по спектру считывающий свет, прошедший через пространственно-временной модулятор света и отраженный от светоделительной грани светоделительной призмы, дополнительно модулируют по спектру во времени вращающимся обтюратором, выполненным в виде секторов, состоящих из светофильтров с заданными спектрами пропускания, и обратно отражают зеркалом через светоделительную грань светоделительной призмы и входной прозрачной электропроводящий слой на высокоомный фотополупроводник и электрооптический кристалл коллинеарно считывающему свету. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что считывающий свет и промодулированный в пространстве по интенсивности, по спектру и во времени коллинеарно отраженный считывающий свет одновременно модулируют вращающимся обтюратором по спектру во времени. 3. Устройство для преобразования оптического сигнала, содержащее последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительную призму, пространственно-временной модулятор света, состоящий из входного прозрачного электропроводящего слоя, диэлектрического слоя, высокоомного фотополупроводника, поляризационного слоя, электрооптического кристалла и выходного прозрачного электропроводящего слоя, объединенных в единое целое, и поляризационную призму, отличающееся тем, что введены обтюратор с электромеханическим приводом и зеркало за пределами потока записывающего света так, что рабочие поверхности обтюратора и зеркала ортогональны направлению распространения считывающего света, при этом обтюратор выполнен в виде нескольких секторов с разными спектрами пропускания, а диэлектрический слой - в виде матрицы микродискретных отверстий, периодически заполненных светопроводящими материалами с разными спектрами пропускания.