ОПТИЧЕСКИЙ ФРАКТАЛЬНО-МАТРИЧНЫЙ ФИЛЬТР И ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ФРАКТАЛЬНО-МАТРИЧНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГЛАЗ Российский патент 2003 года по МПК G02B5/20 G02B27/46 

Изобретение относится к области физиологической оптики, преимущественно к устройствам для фильтрации светового потока в видимой области спектра, и может быть использовано для защиты глаз от воздействия светового потока.

Известен оптический фильтр, используемый для равномерного ослабления светового потока в видимой области спектра и содержащий плоскопараллельную подложку, на одну сторону которой нанесено покрытие, блокирующее ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, а на другую - ахроматический светоделитель в виде трехслойного покрытия из тугоплавких окислов с заданными показателями преломления и оптическими толщинами слоев (заявка РФ 93021141, МПК G 02 B 5/28, публ. 1995 г.).

Известен оптический защитный фильтр, содержащий покрытие из нескольких диэлектрических слоев, нанесенных на стеклянную подложку, при этом многослойное покрытие выполняется со спектральным пропусканием, определяемым в зависимости от спектральной интенсивности источника излучения, функции спектральной чувствительности глаза и условий внешнего освещения (патент РФ 2005314, МПК G 02 B 5/20, публ. 1993 г.).

Известные фильтры имеют жестко ограниченный спектральный диапазон пропускания, вносят в естественную спектральную характеристику дополнительные искусственные модуляции, определяемые свойствами использованных материалов и композиций.

Известны различные средства для снижения интенсивности вредного и опасного излучения, в т. ч. ультрафиолетового, инфракрасного, лазерного, СВЧ-излучения, слепящей яркости.

Известны различные типы противоослепляющих устройств, например, очковая оправа с закрепленными на ней светозащитными элементами из полупрозрачного материала (патент США 3654631, МПК A 61 F 9/02, публ. 1972 г.); линза для очков, содержащая светящуюся цветную полоску и цветную полоску, уменьшающую ослепление, причем полоски и стекла образуют единую конструкцию с резкой границей между полосками и неотражающим покрытием, по отдельности нанесенными на поверхность стекла (патент США 5428409, МПК G 02 C 7/16, публ. 1995 г. ); противоослепляющие очки, содержащие оправу и оптические элементы с экранированными участками, расположенными в верхней части оптических элементов (патент СССР 1802705, МПК A 61 F 9/02, G 02 C 7/10, публ. 1993 г.); защитные очки от ослепления, предназначенные для водителей транспорта и электросварщиков и содержащие экраны из набора светопоглощающих полосовых элементов, разделенных прозрачными промежутками и размещенных параллельно друг другу и перпендикулярно лицевой плоскости оправы (авт. св. СССР 1739349, МПК G 02 C 7/16, публ. 1992 г.).

Известно устройство для защиты глаз от попадания ультрафиолетового излучения, содержащее оправу со вставленными стеклами, в каждом из которых выполнена область, не пропускающая ультрафиолетовое излучение, при этом устройство содержит телескопическую систему с фильтром, полностью отсекающим ультрафиолетовое излучение (патент США 5428474, МПК G 02 C 7/10, публ. 1995 г. ).

Известен индивидуальный защитный экран, предназначенный для защиты глаз от потенциально опасного когерентного излучения. Экран содержит прозрачную основу, матричный слой, образованный прозрачными фоточувствительными сегментами, и матричный слой, образованный электронно-управляемыми, прозрачными в спокойном состоянии секторами (патент США 5412439, МПК G 02 C 7/10, публ. 1995 г.).

Известен оптический фильтр, используемый в сварочной маске для защиты от ультрафиолетового излучения и содержащий стеклянную пластину, на которой сформированы внешний и внутренний слои фильтрующего оптически плотного материала, при этом внутренний и внешний слои нанесены в виде линий и зазоров, причем ширина зазоров меньше ширины самих линий (патент Великобритании 2261077, МПК G 02 C 7/10, публ. 1996 г.).

Известно также устройство для защиты оператора от бликов экрана системы отображения информации, содержащее установленный на экране цилиндрический обод со светофильтром, и сетчатую рельефную структуру, примыкающую снаружи к поверхности светофильтра (авт. св. СССР 1560198, МПК A 61 F 9/04, публ. 1990 г.).

Описанные устройства блокируют значительный процент полезной информации светового потока, а также имеют ограниченные области применения и не могут обеспечить одинаковый эффект при взаимодействии со сфокусированными, коллимированными или рассеянными моно- и гетерохромным световыми потоками.

Задачей настоящего изобретения является создание конструктивно простого, технологичного в изготовлении и эффективного в использовании светового фильтра широкого диапазона, обеспечивающего структурирование светового потока от любого источника в видимом диапазоне спектра.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение возможности защиты зрения пользователя оптическими системами от жесткого светового излучения, снижение утомляемости и улучшение восприятия пользователем информации, передающейся через используемые оптические системы.

Поставленная задача достигается в результате дифференциации излишней напряженности светового потока путем перераспределения кодируемой им информационной нагрузки по всему полю оптической системы. Локальные зоны, выделяющиеся по жесткости своих характеристик в общем информационном потоке, перестают представлять собой травмирующие для зрения оператора импульсы.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый оптический фрактально-матричный фильтр содержит оптически прозрачную подложку с нанесенным на нее фильтрующим экраном, причем фильтрующий экран выполнен в виде фрактальной матрицы, состоящей из подобных модулей, каждый из которых представляет собой графическое изображение геометрической структуры, образованной путем многоуровневой фрактализации базового модуля с n=1, где n - количество уровней фрактализации, при этом для получения базисного модуля на базисной окружности радиусом R₀ с центром О в соответствии с числом базисных векторов фрактализации N, где N - любое число больше двух, строятся N вершин вписанного правильного многоугольника, в которых фрактализуется базисная окружность, проводятся окружности с центрами О через точки пересечения фрактализованных окружностей друг с другом и окружность с центром О и радиусом R₂=2R₀, а фрактализацию базового модуля осуществляют из центров каждой из ранее построенных окружностей, повторяя построения, указанные для построения базисного модуля.

Наиболее предпочтительным для оптических систем являются варианты выполнения фильтра, у которого модуль фрактальной матрицы выполнен четырехуровневым с числом векторов фрактализации N, равным 4, или четырехуровневым с числом векторов фрактализации N, равным 8.

Параметры модуля фильтрующего экрана выбраны из соотношений
Н=L≤5 мкм;
D_min=(7-42) L,
где Н - толщина штриховых линий, образующих модуль фильтрующего экрана;
L - ширина штриховых линий, образующих модуль фильтрующего экрана;
D_min - диаметр базисной окружности модуля.

Фильтрующий экран может быть выполнен посредством микролитографии.

Фильтрующий экран может быть нанесен на поверхность оптически прозрачной подложки или выполнен непосредственно в поверхностном слое оптически прозрачной подложки.

Сущность изобретения заключается также в том, что предлагаемый оптический фрактально-матричный фильтр может быть применен в качестве защитного средства от потенциально опасного для глаз оператора светового потока в оптических системах любого типа, например в линзах очков, различных объективах и т.д., а также в экранах мониторов любых систем отображения информации, например телевизионных экранах (ТВ), персональных компьютеров (ПК).

В основу расчета и построения оптического фрактально-матричного фильтра положена теория фракталов.

Фрактал - это комплексный объект, обладающий свойством самоподобия. Теория фракталов исследует нелинейные зависимости структуры границ объектов от начальных условий их существования, а также поведение гиперкомплексных динамических систем. Фрактальный объект состоит из подобных структурных форм различных масштабов и в силу законов своего построения имеет иерархическое строение, обладает свойством голографичности и способностью к воспроизводству собственной структурной формы (Федер Е. "Фракталы", М., 1991 г.; Пайтген Х.О., Рихтер П.Х. "Красота фракталов", М., Мир, 1993 г.).

Каждый модуль представляет собой плоскостную проекцию многоуровневой пространственной геометрической структуры, в которой множественная уровневая градация является рядом натуральных чисел, уравновешенных как минимум по трем базисным пространственным векторам X, Y, Z с образованием шаровой фрактальной формы с бесконечным количеством собственных составляющих, любой набор которых удовлетворяет условию Xⁿ+Yⁿ+Zⁿ+...+Nⁿ=0,
где X, Y, Z,...N - базисные векторы фрактализации;
n - количество уровней фрактализации.

Это выражение является одним из необходимых условий построения устойчивой структурной организации произвольного типа и сводится к следующему: сумма всех взаимосвязей по векторам или плоскостным моделям, при любом количестве этих формирований, должна быть равна нулю. Утверждение относится как к трехмерной системе "X, Y, Z", так и к шаровой форме, имеющей бесчисленное количество различных векторно-плоскостных составляющих.

Построение фрактального объекта подразумевает итерацию ряда производных копий исходного базового объекта с выбором коэффициентов подобия, зависящих от базового коэффициента фрактализации, т. е. от числа базисных векторов фрактализации.

Вектор фрактализации - вектор, определяющий положение центра воспроизведения следующего объекта.

Базисный вектор фрактализации - вектор фрактализации единичной длины.

Каждая итерация построения фрактального объекта формирует уровень фрактализации, а вся структура имеет иерархическое построение.

Объект, полученный таким образом, обладает тем свойством, что его пространственные параметры кратны параметрам исходного и всех других объектов образованной последовательности.

Параметрами полностью скомпонованного плоскостного единичного модуля фильтра являются:
R_о - радиус первоначально выбранной окружности (базисный вектор фрактализации для единичного модуля);
N - число базисных векторов фрактализации;
n - число уровней фрактализации (число итераций).

Построение единичного модуля фильтрующего экрана включает в себя следующие операции:
1. Выбирается центральная точка схемы, становящаяся центром координат О.

2. Строится базисная окружность радиуса R_о с центром О (D_min).

3. Строятся N вершин вписанного правильного многоугольника (сам многоугольник не строится), определяющих множество векторов фрактализации.

4. Базисная окружность фрактализуется в N вершинах вписанного правильного многоугольника.

5. Проводятся окружности с центрами О через точки пересечений фрактализованных окружностей друг с другом, тем самым определяя К производных окружностей с радиусами R¹, R², R³ и т.д.

6. Строится окружность с центром в О и радиусом R₂=2R_о.

7. Полученный модуль становится базовым с n, равным 1.

8. Далее он фрактализуется из центра каждой из ранее построенных окружностей с повторением операций 1-6 (n=2, n=3, n=4 и т.д.).

Таким образом, каждая полученная окружность становится новой базой, от которой повторяются ранее проведенные построения. Фрактализация схемы происходит как в сторону расширения (увеличение радиуса замыкающей окружности), так и в сторону увеличения плотности линий в первоначально выбранной окружности радиуса R_о.

Сущность предложенного фрактально-матричного фильтра поясняется представленными чертежами.

На фиг. 1 и 2 изображены плоскостные проекции четырехуровневых (n=4) модулей с соответственно N=4 и N=8 фрактально собранной матрицы фильтрующего экрана, на фиг.3 схематично представлено расположение модулей на подложке, на фиг.4 схематично представлено в сечении расположение модулей в подложке; на фиг. 5 схематично изображен в сечении фильтрующий экран, состоящий из нескольких слоев, на фиг. 6 и 7 изображены фрагменты сечения подложки со штриховыми линиями, образующими модуль фильтрующего экрана, на фиг.8 показан пример использования оптического фрактально-матричного фильтра в линзах очков (N=8), на фиг.9 показан пример использования оптического фрактально-матричного фильтра в защитных экранах мониторов ПК (N=4), на фиг.10 - фрагмент А на фиг.9.

Оптический фрактально-матричный фильтр включает подложку 1, изготовленную из любого оптически прозрачного материала, и фильтрующий экран, выполненный в виде строгого набора модулей 2, которые могут быть нанесены на поверхность подложки (фиг. 3), а также выполнены непосредственно в поверхностном слое самой подложки (фиг.4).

Параметры модуля фильтрующего экрана выбраны из соотношений H=L≤5 мкм, D_min= (7-42)L, где Н и L - соответственно толщина и ширина штриховых линий, образующих модуль; D_min - минимальная базисная окружность модуля.

Оптимальный вариант подбора параметров будет давать соотношение штрих/поле, равное 1:1.

Фильтрующий экран может быть образован из единичных модулей, объединенных в единое матричное поле (фиг.10), или выполнен в виде фрактально развернутой композиции (фиг.8).

На основе построенного модуля возможно конструирование дальнейшей иерархической схемы построения матрицы фильтрующего экрана.

Наиболее предпочтительным вариантом изготовления фильтрующего экрана является технология микролитографии (фото-, рентгено-, электронолитографии) по тонким пленкам, подразумевающей этапы подготовки оптической поверхности (полировку), нанесения тонкопленочного покрытия с толщиной Н≤5 мкм (непрозрачного или полупрозрачного в оптическом диапазоне), нанесение резистивного слоя (фото-, электроно-, рентгено-), литографию, проявление, травление, пассивацию.

В этом случае фильтрующий экран формируется посредством мультипликации единичных модулей, объединяя их в матричное поле.

Возможны варианты многослойного исполнения фильтрующего экрана, состоящего из идентичных или подобных модулей или матричных полей, включающих в себя произвольное количество модулей, объединенных в единую систему.

Фильтрующий экран может быть выполнен как на плоской, так и на сферической, полусферической, либо любой другой сложной профильной поверхности.

При использовании оптического фрактально-матричного фильтра в качестве защитно-дифференцирующего средства в оптических системах и экранах мониторов, он может быть изготовлен как на отдельном пленочном носителе, который прикрепляется к поверхностям линз и экранов, так и сформирован непосредственно на самой поверхности линз и экранов.

Исследование фрактально-матричных фильтров показало, что в оптическом диапазоне 0,4-14 мкм они могут быть интерпретированы как дифракционные решетки с высоким качеством исполнения отражающих (или затеняющих) линий (Отчет по НИР "Исследования объективных оптических характеристик транспарантов и дифракционных решеток в оптическом диапазоне спектра ЭКМ", ВНЦ "ГОИ им. C.И. Вавилова", СПб., 2001 г.).

В ИК-диапазоне дифракционные свойства фрактально-матричных фильтров могут быть объяснены уравнениями волновой оптики. Эти фильтры в ИК-диапазоне на пропускание работают как фильтры-пробки, а на отражение - формируют интерференционную картину с особыми свойствами. В видимом диапазоне спектра ЭКМ исследуемые фильтры проявляли себя как вторичные генераторы упорядоченной по заранее определенной схеме растровой структуры. В лазерном потоке на отражение фильтры создают систему особых пространственных растров, формируемых по четырем осям, смещенным друг относительно друга на π/4 радиан. В лазерном потоке на пропускание фильтр проявляет себя как анализатор пространственных частот. Картины пропущенного лазерного потока через фрактально-матричный фильтр непосредственно от источника полностью совпадают с пространственным спектром Фурье, полученным с помощью дифрактометра.

При использовании предложенного оптического фрактально-матричного фильтра световой поток любого типа (солнечный свет, свет от различных осветительных приборов), с экранов ТВ, ПК и т.п. структурируется по заданной схеме, изменяя свои свойства и тем самым не оказывая травмирующее воздействие на зрительные анализаторы (зрение человека), через которые проходит, как известно, приблизительно 90% всей информации, получаемой человеком.

Таким образом, в результате использования оптического фрактально-матричного фильтра не только резко снижается негативное влияние, возникающее в результате перевозбуждения глазных рецепторов, но и наоборот, создается эффект гармонизации, позволяющий провоцировать оздоровительные процессы в организме, влияя непосредственно на центральную нервную систему пользователя.

В результате оптические системы любого типа (очки, в т.ч. солнцезащитные и корригирующие), мониторы оптических приборов, сканеры, объективы и др. системы резко повышают свое качество и становятся безопасными в использовании, что позволяет множественно увеличить продолжительность нахождения человека в зоне влияния активного светового потока.

Предложенный оптический фрактально-матричный фильтр, нанесенный на линзы очков любого типа, вызывает явно выраженное корригирующее влияние на центральную нервную систему и зрение человека и может быть использован как инструмент для их коррекции.

Предлагаемый оптический фрактально-матричный фильтр может быть эффективно использован в качестве экранирующего средства от потенциально опасного светового потока в оптических системах, например в линзах очков, а также биноклей, телескопов, сканеров и т.п.

Предлагаемый оптический фрактально-матричный фильтр может найти широкое применение также в качестве экранирующего средства в мониторах систем отображения информации, например ТВ, ПК.

Оптический фрактально-матричный фильтр включает оптически прозрачную подложку с нанесенным на нее фильтрующим экраном. Фильтрующий экран выполнен в виде фрактальной матрицы, состоящей из подобных модулей, каждый из которых представляет собой графическое изображение геометрической структуры, образованной путем многоуровневой фрактализации базового модуля с n=1, где n - количество уровней фрактализации. Технический результат - создание конструктивно простого, технологичного в изготовлении и эффективного в использовании светового фильтра широкого диапазона, обеспечивающего структурирование светового потока от любого источника в видимом диапазоне спектра, а также обеспечение защиты зрения от жесткого светового излучения, снижение утомляемости и улучшение восприятия пользователем информации. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Оптический фрактально-матричный фильтр, включающий оптически прозрачную подложку с нанесенным на нее фильтрующим экраном, отличающийся тем, что фильтрующий экран выполнен в виде фрактальной матрицы, состоящей из подобных модулей, каждый из которых представляет собой графическое изображение геометрической структуры, образованной путем многоуровневой фрактализации базового модуля с n= 1, где n - количество уровней фрактализации, при этом для получения базисного модуля на базисной окружности радиусом R₀ с центром О в соответствии с числом базисных векторов фрактализации N, где N - любое число больше двух, строятся N вершин вписанного правильного многоугольника, в которых фрактализуется базисная окружность, проводятся окружности с центрами О через точки пересечения фрактализованных окружностей друг с другом и окружность с центром О и радиусом R₂= 2R₀, а фрактализацию базового модуля осуществляют из центров каждой из ранее построенных окружностей, повторяя построения, указанные для построения базисного модуля. 2. Оптический фрактально-матричный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что модуль фрактальной матрицы выполнен четырехуровневым с числом векторов фрактализации N, равным 4. 3. Оптический фрактально-матричный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что модуль фрактальной матрицы выполнен четырехуровневым с числом векторов фрактализации N, равным 8. 4. Оптический фрактально-матричный фильтр по пп. 1-3, отличающийся тем, что параметры модуля фильтрующего экрана выбраны из соотношений
Н= L≤5 мкм;
D_min= (7÷42) L,
где Н - толщина штриховых линий, образующих модуль фильтрующего экрана;
L - ширина штриховых линий, образующих модуль фильтрующего экрана;
D_min- диаметр базисной окружности модуля. 5. Оптический фрактально-матричный фильтр по пп. 1-4, отличающийся тем, что фильтрующий экран выполнен посредством микролитографии. 6. Оптический фрактально-матричный фильтр по п. 5, отличающийся тем, что фильтрующий экран нанесен на поверхность оптически прозрачной подложки. 7. Оптический фрактально-матричный фильтр по п. 5, отличающийся тем, что фильтрующий экран выполнен непосредственно в поверхностном слое оптически прозрачной подложки. 8. Линза оптической системы, например очков, отличающаяся тем, что в качестве защитного средства она содержит оптический фрактально-матричный фильтр по любому из пп. 1-7. 9. Экран монитора систем отображения информации, например ТВ, ПК, отличающийся тем, что в качестве защитного средства он содержит оптический фрактально-матричный фильтр по любому из пп. 1-7.