ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР НИЗКОКОНТРАСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КАРТИННО ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЛИНЕЙНЫХ МИКРОПОЛЯРИЗАТОРОВ Российский патент 2024 года по МПК G02F1/01 

Изобретение относится к области оптического наблюдения и идентификации объектов с помощью специальных оптических устройств. Это может осложняться условиями дождя или тумана, а также наличием разнообразных мелкодисперсных светорассеивающих частиц типа смога в воздухе, делающих изображение объекта наблюдения нечетким и расплывчатым, особенно в ночное время суток.

Типичная ситуация может иметь место, например в радиочастотном спектральном диапазоне электромагнитного излучения. Действительно, она возникает при наблюдении заданной зоны обзора в работе радиолокационной станции (РЛС), выполняющей задачи, например в море при наличии на трассе объемно-распределенных сред (ОРС) как естественного, так и искусственного происхождения. Являясь источником мешающих отражений, ОРС заметно уменьшает эффективность обнаружения и распознавания надводных объектов.

При этом одним из положительных свойств искусственных объектов, который может помочь в их выявлении, является то, что в ближнем ИК или видимом, и даже радиочастотном диапазоне они излучают, пропускают через себя или отражают излучение с большей степенью поляризации, чем естественный фон ОРС типа деревья, трава, гористая или песчаная местность, а также морская зыбь, слабо зависящей от поляризации облучающего излучения.

Однако при регистрации таких ландшафтных изображений методом сканирования или панорамного фотографирования существующие, например радиолокационные РЛС, фотонные детекторы типа ЭОП, CCD или CMOS-камеры в видимой или ближней ИК области спектра не чувствуют состояния поляризации регистрируемого ими излучения. Они реагируют только на его пространственное распределение интенсивности и/или спектрального состава, что снижает потенциальные преимущества этих детекторов.

Кроме радиолокационных применений, это относится к таким промышленным и коммерческим применениям как распознавание образов, выявления свойств материалов и их анализу, а также поляризационным защитным устройствам от подделки и идентификации различных изделий, для которых существует критерий проверки подлинности при использовании.

При этом хорошо известно, что пространственная по координатам (х,у) поляризационная характеристика распространяющегося в направлении оси (z) пучка частично поляризованного квазимонохромного электромагнитного излучения с любой длиной волны λ, в общем случае состоящего из чисто изотропной и чисто поляризованной (линейной, эллиптической или круговой) доли его компонент по плоскости (х,у) достигается определением четырех параметров вектора Стокса [1] в каждой из точек пучка этой плоскости:

So = I^H+ I^V

S1 = I^H - I^V

S2 = I⁺⁴⁵°- I^-45° (1)

S3 = I^R- I^L,

где I^H и I^V представляют интенсивности произвольно ориентированных в плоскости (х,у) двух взаимно ортогональных компонент излучения (например в горизонтальной (H) и вертикальной (V) по осям «х» и «у», соответственно), измеренные одним и тем же линейным поляризатором, первоначально ориентированным параллельно одной из координатных осей «х» или «у» лабораторной системе координат, а символы I⁺⁴⁵, I^-45 описывают интенсивности компонент этого же поляризованного излучения, измеренные с этим линейным поляризатором, но ориентированным под углами +45° и -45°относительно его первоначальной ориентации;

при этом I^R и I^L – представляют право- и левоциркулярные компоненты соответственно.

Следовательно, первый параметр Стокса So описывает полную интенсивность света (в дальнейшем понятия «излучение» и «свет» в нашем случае являются равнозначными синонимами), в то время как S1 и S2 в зависимости от их величин и знаков указывают на его степень поляризации и направление (право-левое) вращения эллиптической компоненты пучка этого света, а S3 – на предпочтительное направление вращения циркулярно поляризованного света.

Когда излучение с заданной поляризацией взаимодействует с объектом, его состояние поляризации, пройдя или рассеявшись на объекте, зависит от структуры последнего и модифицируется в соответствии с оптической анизотропией объекта. Интенсивность и поляризация прошедшего или отраженного (рассеянного) света линейно зависит от этого падающего света на объект

S' = MS'0, (2)

где S'0 есть вектор Стокса, описывающий пространственное распределение поляризационного состояния излучения, падающего на конкретные микрообласти (х,у) поверхности объекта, а S' описывает пространственное распределение вектора Стокса этого света, прошедшего через или рассеянного объектом в этих микрообластях.

Способность последнего трансформировать поляризацию падающего света описывается трансформационной матрицей М Мюллера (х,у). Эта матрица специфична для каждого объекта и зависит как от пространственной структуры объекта, так и от длины волны света и угла падения и рассеяния на/или от регистрирующего устройства.

В настоящем изобретении принимается во внимание линейный дихроизм вдоль горизонтального и вертикального направления в соответствии с произвольным лабораторным направлением H и V и вдоль +45° и -45° направлений в соответствии с горизонтальным H направлением в выбранной системе координат (х,у).

Циркулярно-поляризованная компонента S3, описывающая излишнюю лево- или право поляризационно закрученную части, достаточно редко имеет место в практических приложениях и в настоящем изобретении не принимается во внимание.

Настоящее изобретение относится к системам фотонного обнаружения, регистрации и пространственной обработки пассивного и/или активного (с дополнительной подсветкой) поляризованного фотонного излучения ближнего УФ, инфракрасного и/или видимого диапазона для применения в таких устройствах, как приборы и системы ночного наблюдения, поиск и системный сбор информации, различные области промышленности, а также при научных исследованиях и защите информации от фальсификации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поляриметрическая обработка добавляет традиционным датчикам возможность более четкого выделения целевого объекта от фоновой помехи.

Существует способ восстановления поляризационного изображения. В нем используется один линейный поляризатор, вращающийся или линейно перемещаемый перед одним сканируемым в плоскости изображения фотодетектором, который считывает интенсивность регистрируемого сигнала в определенные моменты времени, соответствующие, например четырем определенным угловым положениям поляризатора (0°, -45°, +45 и 90°). В результате вычисляются три компоненты (параметры) Стокса и, следовательно, пространственное состояние поляризации анализируемого изображения в определенной его пространственной микрообласти. Этот способ является мультиплексным во времени и требует для своей реализации трехкратного увеличения времени (скорости) считывания картины (фрейма).

Вариант такого способа описан в [2] с использованием системы, в которой путем последовательно во времени формирования двух изображений одного и того же объекта через линейный поляризатор с его взаимно ортогональными ориентациями. Дальнейшая оптико-электронная обработка этих изображений обеспечивает получение изображения с улучшенными параметрами.

Другим примером использования поляризационного контраста, основанного на различии коэффициентов (параметров) Стокса регистрируемого излучения является способ тепловизионного распознавания формы объектов и устройство для измерения линейных размеров трехмерных объектов [3].

В качестве ближайшего аналога (прототипа) настоящего изобретения выбран дифференциальный поляризационно-оптический визуализатор ландшафтных изображений, описанный в патенте США [4].

Согласно данному патенту на фиг.1 непрерывное или импульсное пространственно аналогово модулированное по интенсивности и состоянию поляризации излучение, например в ближней ИК области спектра 10 с длиной волны λ₁, исходящее или отраженное от наблюдаемого ландшафтного объекта в пространственных координатах (х,у) (не показанного на фиг.1) входит в фотонный датчик 100 через блок объективов 11. Это излучение, пройдя определенный макроразмерный сегмент поляризатора 12, попадает на фотокатод 16 ЭОПа 15. Каждый конкретный макроразмерный сегмент имеет геометрические размеры не меньшие размерам входного окна поверхности ЭОПа и одинаковую пространственную ориентацию оптической оси вектора поляризации по всей своей поверхности.

На фиг.2 показаны структура четырех одинаковых по поляризационно-оптическим свойствам макро-размерных сегментов промышленно выпускаемого линейного йодного Н типа поляризатора 12 (толщиной в пределах от 40 до 60-ти мкм), ориентированных под углами 0°(H), +45°, 90°(V) и 135°(-45°), соответственно. Направление оптической оси в каждом из сегментов обозначены направлением штрихов в них.

Электро-механический привод 13 с помощью источника питания 14 скачками последовательно во времени переводит каждый из макро-размерных сегментов поляризатора 12 таким образом, чтобы он последовательно размещался на пути излучения 10 (фиг.1) между узлом объектива с диафрагмой 11 и ЭОПом 15, который включает двумерную микроканальную пластину 17, а фотокатод 16 равномерно охватывает все пиксельные элементы микроканальной пластины 17 (ЭОПа 15). Размеры каждого из макро-размерного сегмента поляризатора 12 должны охватывать все пиксельные элементы микроканальной пластины 17. Образованные фотокатодом 16 электроны формируют электронное пространственное изображение, которое усиливается, проходя соответствующие каналы микроканальной пластины 17, и выходят из ЭОПа 15 в виде аналогового по интенсивности пикселированного видимого, но уже не поляризованного изображения в световом излучении 19 с другой длиной волны λ₂ от сплошного электро-люминесцирующего экрана 18. Далее оно ретранслируются с помощью линзовой системы 20 на CCD-камеру 21.

По замыслу авторов патента [4], четыре варианта поляризованных изображения одного и того же кадра, каждое из которых последовательно во времени сформировано через одно из четырех ориентацией сегментов поляризатора 12, с помощью электро-механических переключателей 22 выборочно переносятся от CCD-камеры 21 в электронные блоки видеозахвата кадров исходно одинаковых поляризованных изображений 23-1 и 23-2. Работа переключателей 22 синхронизирована с работой привода 13 таким образом, что ориентация поляризации конкретного сцепленного сегмента поляризатора 12 такая же, как и у подсоединенного с помощью электро-механического переключателя 22 соответствующего поляризованного изображения в электронном блоке видеозахвата кадра 23-1 или 23-2.

Например, кадр изображения считанного при ориентации поляризатора в положении 0°(H) направляется в электронный блок видеозахвата 23 -1 (фиг.1); затем привод 13 переводит поляризатор в положение 90°(V), в результате чего изображение при 90° также считывается в электронном блоке видеозахвата кадра 23-1. Затем логическая схема на выходе двух поляризованных видеозахватов в электронном блоке 23 образуется как сумма (I^H+ I^V), а разность (I^H - I^V) из двух ортогональных поляризациях.

Исходя из этого, формируется степень линейной поляризации D1 для пары H и V:

D1 = S1/So = (I^H - I^V)/( I^H+ I^V) (3)

Аналогичные результаты получаются и при рассмотрении двух других ортогональных поляризационных изображений объекта, полученных для двух положений поляроида 12, ориентированных под углами +45° и -45°(135°) (блок 23-2).

D2 = S1/So = (I^+45°- I^-45°)/(I^+45°+ I^-45°) (4)

Эта информация передается в центр управления 24 для дальнейшей обработки. Сумма двух ортогональных поляризационных изображений объекта и различия между ними, улучшает выявляемость объекта.

Этот процесс известен как разница поляризованных изображений (polarization difference imaging) и его общие принципы описаны в [2,5,6].

Согласно прототипу [4], процессы суммирования и вычитания (дифференцирования) и вычисления степени линейной поляризации Di могут быть выполнены с любой из двух пар по ориентации электрического поля измерительного излучения с ортогональной поляризацией.

Указанный прототип с помощью поляризационной компоненты регистрируемого объекта позволял повысить контраст регистрируемого исходного изображения.

Однако его недостаток заключается в том, что он допускает возможность введения оптических искажений изображений между кадрами при движении детектора относительно объекта в процессе регистрации этих изображений и требует снижения временного интервала между ними, что связано с возможностями используемых детекторных видеокамер.

Возможность использования нескольких синхронизированных во времени детекторов практически не устраняет эти проблемы, т.к. проблема переносится на необходимость компенсации механического рассогласования и аберраций из-за различных оптических путей от различных детектирующих камер.

Кроме того, недостаток состоит и в том, что предложенная схема не соответствует оптимальной поляризационной геометрии, так как имеет несколько электро-механических узлов для ее функционирования.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемом в настоящем изобретении для устранения указанных недостатков вместо макроразмерного сегментного поляризатора заявляется конструкция оптически анизотропной дихроично-амплитудной пространственно-двумерной матрицы (мозаики) в виде Многодоменного (пикселированного) Линейного Поляризатора (далее для краткости изложения предлагается его сокращенное название (МДЛП).

По алгоритму способа обработки поляризационных компонент регистрируемого изображения в центре управления 24 патента-прототипа с целью улучшения визуального восприятия исходного изображения, топологическая конструкция предлагаемого МДЛП поляризатора может являться техническим дополнением к изотропному амплитудному цветному светофильтру, предложенному Б. Байером (Bryce Bayer) в патенте [7]. В настоящее время фильтр Бауера широко используется в фоточувствительных полупроводниковых матрицах цифровых фотоаппаратов, видеокамер типа ЭОП-ов, CCD (Charge – Coupled Device или ПЗС- Прибор с Зарядовой Связью – аналог интегральной микросхемы) и CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor или КМОП – Комплементарная Структура Металл-Оксид-Полупроводник) – камер (далее для упрощения терминологии они объединены как CCD/CMOS-камеры) и сканеров.

Каждый из доменов матрицы предложенного в настоящей заявке МДЛП поляризатора состоит из семейства, например четырех (2×2), определенно попарно взаимно ортогонально ориентированных по направлению оптической оси микрополяризаторов. При этом домены матрицы МДЛП пространственно совмещены, например, с (2×2) доменами пикселированных полупроводниковых фотодетекторов матрицы CCD/CMOS-камеры.

В этом способе отсутствуют узлы для механического передвижения микрополяризаторов и юстировки всего фотоприемного устройства, но поскольку он является мультиплексным размещением доменов матрицы по всему пространству фотоприемного устройства, то требует для своей реализации использования на конечной стадии преобразования мозаичных фотоприемников типа CCD/CMOS сенсоров для регистрации мультиплексных поляризованных изображений реального объекта.

Действительно, в патенте-прототипе [4] используется один поляризатор, состоящий из четырех одинаковых по поляризационно-оптическим свойствам макроразмерных сегментов с векторами линейной поляризации в каждом из них, ориентированными относительно друг друга под двумя парами взаимно перпендикулярных углов.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, отмеченных у прототипа [4], с целью создания устройства для визуализации и оценки пространственных поляризационных распределений, в котором путем усовершенствования структурной схемы достигалось бы повышение контрастности выходящих из устройства изображений в результате одновременной попарной регистрации и обработки процессором CMOS-камеры всех, например 4-х, поляризованных изображений одного и того же кадра, и обеспечение оптимизации конструкции поляризационной схемы, не имеющей электро-механических узлов для ее функционирования.

Для достижения поставленной цели (технического результата) предлагается изменение структурной схемы поляризационно-фотонного детектора, в котором для повышения контраста изображения и обеспечения режима работы фотоприемных регистраторов создаются условия, приближенные к оптимальной поляризационной геометрии.

Существенным отличием от прототипа [4] является использование для этого как минимум одного оптически анизотропного дихроично-амплитудного пространственно двумерного мозаичного в виде Многодоменного (пикселированного) Линейного поляризатора МДЛП (с использованием непосредственно на входе регистрации CCD/CMOS-камеры, фоточувствительной к излучению с длиной волны λ, исходящему от регистрируемого объекта) или трех (при дополнительном использовании электронно-оптического преобразователя (ЭОПа), чувствительного к этой длине волны в случае применения CMOS-камеры, не фоточувствительной к этой длине волны), как в патенте-аналоге [4] МДЛП поляризатор должен быть равен макроразмеру одного сегмента поляризатора, используемого в патенте-прототипе.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является поляризационно-фотонный детектор изображений, в частности в ближней УФ, видимой или ИК-области спектра. Он включает в своем составе объектив с диафрагмой для сбора исходящего от объекта и окружающего фона частично поляризованного излучения в ближней УФ-, видимой или ИК- области спектра с аналоговым пространственным распределением интенсивности и состояния поляризации в изображении исходного кадра. Этот кадр, в общем случае, проектируется в область расположения первого МДЛП поляризатора, расположенного, например, в контакте с фотокатодом микроканального ЭОПа.

При этом с помощью данного МДЛП осуществляется предварительное пространственно-кодированное мультиплицирование выходящего из него изначально единого на входе пространственно аналогово модулированного по интенсивности и состоянию поляризации частично поляризованного изображения исходного кадра регистрируемого объекта. Это мультиплицирование осуществляется на, как минимум четыре его пространственно-совмещенных линейно поляризованных компонента с аналоговым распределением интенсивности свечения, но с двумя или более парами взаимно ортогональных ориентаций векторов линейной поляризации в микрополяризаторах каждого из доменов.

Далее излучение изображения в виде мозаики пространственно совмещенных закодированных поляризованных компонент этого объекта экспонирует сплошной слой фотокатода ЭОПа, нанесенного на пикселированную торцевую поверхность всех элементов микроканальной пластины (МКП) ЭОПа. Образованный в фотокатоде пространственно пикселированный, модулированный по интенсивности пучок электронов, усиленный по интенсивности проходом через МКП, формирует оптическое изображение в сплошном электролюминесцентном слое, нанесенном на вторую ее сторону. При этом он аналогово по интенсивности светится на другой длине волны λ₂ (совпадающей с областью спектральной чувствительности CCD/CMOS-камеры) в виде матрицы аналогово-пикселированных, но неполяризованных закодированных изображений компонент объекта.

Указанные поляризационные состояния этих компонент восстанавливаются затем после прохождения этого свечения через второй МДЛП, контактно совмещенный (нанесенный) за электролюминесцентным слоем ЭОПа.

Сформированные электролюминесцентным слоем ЭОПа и вторым МДЛП аналогово светящиеся пикселированные и по разному ориентированные по вектору поляризации компоненты изображения исходного кадра с помощью линзовой системы через третий МДЛП ретранслируются на светодиодную поверхность CCD/CMOS-камеры, совмещенной в непосредственном контакте с этим поляризатором.

Далее полученный в ней электрический сигнал от CCD/CMOS-камеры поступает в центр управления. Там происходит электронная обработка информации, хранящейся в массиве о каждом из попарно по-разному поляризованных компонент изображения кадра зарегистрированного объекта и формирование окончательного полноценного изображения с улучшенным контрастом, отображаемого, например на экране ЖК-дисплея CMOS-камеры.

В случае использования CCD/CMOS-камер, непосредственно воспринимающих спектральное излучение от регистрируемого объекта, предлагаемая оптическая схема поляризационно-фотонного детектора может быть значительно упрощена. Возможно исключение из ее состава электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) вместе с предлагаемыми первыми двумя МДЛП, размещенными с обеих его сторон.

Таким образом:

1. Первым аспектом предлагаемого изобретения является устранение недостатков, отмеченных у прототипа [4].

Это осуществляется созданием устройства с одновременным проведением процессов восстановления, суммирования и вычитания (дифференцирования) всех поляризационных компонент изображения одного и того же кадра ландшафтного объекта, входящего в регистрирующий поляризационно - фотонный детектор, выполненных в виде массива доменов (субмозаик, например 2×2 элемента). При таком усовершенствовании конструкционной схемы устройства достигается повышение контрастности сформированного изображения.

В результате обеспечивается оптимизация конструкции поляризационной схемы, не имеющей электро-механических узлов для ее функционирования.

Для достижения поставленной цели (технического результата) предлагается изменение структурной схемы поляризационно-фотонного детектора. Это позволяет повышать контраст регистрируемого изображения в реальном масштабе времени и обеспечивает режим работы фотоприемных регистраторов в условиях, приближенных к оптимальной поляризационной геометрии.

Существенным отличием патента-прототипа [4] от предлагаемого в настоящей заявке варианта реализации поляризационно-фотонного детектора является конструкция предлагаемого МДЛП поляризатора.

Действительно, каждый из сегментов макро поляризатора [4] имеет одинаковые поляризационно-оптические свойства, геометрические макроскопические размеры, не меньшие размерам входного окна поверхности ЭОПа 15 и с одним и тем же пространственным направлением ориентации оптической оси вектора поляризации по всей своей площади поверхности сегмента. Но оптические оси в каждом из них ориентированы под углами: (0°(H), +45°, 90°(V) или 135°(-45°)) соответственно. Следовательно, используемая в патенте [4] схема далека от оптимальной поляризационной геометрии.

Предлагается вариант единого по топологии поляризационно-оптического элемента в виде МДЛП. Он представляет собой двухмерную матрицу (мозаику) пространственно разнесенных доменов, выполненных, в свою очередь, также в виде субмозаик пространственно разнесенных, как минимум «2×2» попарных микрообластей с взаимно ортогональными векторами поляризации. Каждый из этих микрообластей представляет собой микро линейный поляризатор с различно пространственно ориентированными оптическими осями. Реализация данного изобретения обеспечивает повышение эффективности обнаружения изображений объектов, расположенных, например, на изотропных светорассеивающих поверхностях или ландшафтных объектов в условиях помех для поляризационно-фотонных детекторов при одновременном упрощении конструкции самого устройства.

При этом:

1) в общем случае регистрации изображения используются три или один МДЛП, каждый из доменов (субмозаик) в указанных трех поляризаторах выполнен в виде субмозаики, как минимум «2×2» идентичных картинно микроразмерных участков (микрополяризаторов) с разным, для каждого из них, пространственным направлением оптических осей, например, под углами (0°(H), +45°, 90°(V) или 135°(-45°)).

2) в то время как все три или один МДЛП постоянно размещены в оптическом сенсорном канале детектора, каждый из макро размерных сегментов линейных поляризатора-прототипа последовательно во времени размещается в оптическом сенсорном канале поляризационно-фотонного детектора,

3) микрополяризаторы МДЛП имеют размеры, как минимум от нескольких единиц до десятка мкм, в то время как размеры каждого из сегментов линейных поляризаторов- прототипов больше размера экрана ЭОПа,

4) как написано выше, в случае использования CCD/CMOS-камер, воспринимающих спектральное излучение непосредственно от регистрируемого объекта, предлагаемая оптическая схема поляризационно-фотонного детектора может быть значительно упрощена путем исключения из ее состава электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) вместе с предлагаемыми первыми двумя МДЛП, размещенными на обеих его сторонах.

5) в случае регистрации монохромного или полноценного цветного поляризованного изображения, МДЛП, выполненный в виде, как минимум «2×2» семейства линейных монохромных или нейтральных микрополяризаторов, размещается поверх матрицы светофильтров Байера, установленных в CMOS-камере.

2. Вторым аспектом предлагаемого изобретения является выбор дихроичных поглощающих материалов, пригодных для производства поляризационно-картинных нейтральных или спектрально-селективных МДЛП, выполненных на основе композиций, использующих смеси или, как минимум одного из дихроичных в ближней УФ, видимой или ближней ИК- области спектра фотохимически стабильных, селективно поглощающих между 350 нм и/или 1500 нм органических и/или неорганических веществ, например из классов:

1) - красителей, например, азо- моно-, дис-, трис- или полиазокрасителей, металлокомплексных или комплексообразующих азокрасителей, или антрахиноновых и других красителей, применяемых в качестве «гостя» в термотропных жидко кристаллических матрицах («хозяин») в ЖК дисплейной технике [8,9];

2) - других анизотропных красителей, проявляющих лиотропные жидкокристаллические свойства в определенных растворителях [10];

3) - азокрасителей с полярными гидрофильными «головками» и длинными углеводородными липофильными «хвостами» для пленок Лэнгмюра-Блоджетт [11];

4) - красителей из класса сублимационных веществ, т.е. переходящих из твердого состояния сразу в газообразное, минуя стадию плавления;

5) - фотоанизотропных материалов (ФАМ) на основе фотохимически стабильных веществ, проявляющих фотоиндуцированную оптическую анизотропию под действием поляризованного или даже неполяризованного, но направленного излучения, одно - или двухфотонно поглощаемого ими [12,13]. При этом для фиксации фотоиндуцированной анизотропии в таких веществах в состав их химической структуры включается, как минимум, одна фотополимеризационно способная группа, поглощающая в спектральной области менее 330 нм или проявляющая стерео селективную реакцию [2+2] фотополимеризации с сохранением предварительно фотоиндуцированной аназотропии в твердом теле [14]. Примером таких групп могут быть (мет) акрилоильная, (мет) акрилокси-, (мет)акрилоилокси-, (мет) акриламидная, виниловая группа, винилокси-, азидная, хлорметильная, эпоксидная и другие группы.

3. Третьим аспектом предлагаемого изобретения являются способы получения твердотельных картинно ориентированных спектрально - селективных или нейтральных МДЛП поляризаторов, выполненных в виде:

А) - супервысокочастотных и супертонких дифракционных решеток,

Б) - отвержденных дихроичных слоев ориентированных жидких кристаллов и,

С) - анизотропных слоев фотоанизотропных материалов (ФАМ) на основе фотохимически стабильных веществ.

При этом общей особенностью предлагаемых ЖКМ, рельефных дифракционных решеток и получаемых из них МДЛП поляризаторов, основанных на различных физических эффектах, является объединяющая их анизотропия пространственно-двумерного (картинного по координатам (х,у)) распределения оптических (поглощающих) или топологических (дифракционно - решеточных) свойств, в виде локальных анизотропных изменений пространственных ориентаций оптических осей и/или штрихов дифракционных решеток, соответственно, в них.

Это единство является главным стимулирующим фактором, ведущим, в общем случае, к созданию принципиально новых современных гибридных оптических элементов и устройств на основе поляризационо-интерференционных и дифракционно-интерференционных оптических эффектов в них.

С использованием сказанного заявляются три способа получения МДЛП поляризаторов.

1. Способ получения МДЛП поляризаторов в виде пропускающих металлических дифракционных решеток. Даже для видимой области спектра с пространственным периодом около 100 нм и меньше он может быть осуществлен с использованием только современной, но мало освоенной нанопечатной литографии (InPrint Process).

2. Способ получения МДЛП поляризаторов с помощью отверждаемых ЖК материалов (ЖКМ), ориентированных с помощью картинных рельефно структурированных (дифракционно-решеточных) поверхностей, включающий этапы:

- приготовление ЖК композиции с предварительно на молекулярном уровне растворенными в ней анизотропно поглощающими веществами, указанными в пп. 1-4. По существу, полученный раствор являлся аналогом полиграфических красок, наносимых известными способами типа глубокая или трафаретная печать, флексопечать и т.д. Это позволяет использовать существующие модернизированные поливочные устройства для малотиражного производства МДЛП поляризаторов, например принтерной печатью, или массового методом «roll-to-roll» технологии на гибкие или жесткие подложки.

- на указанную подложку предварительно наносился ориентирующий слой термопластичного полимера, либо фотополимерный слой [15] с микро рельефно структурированной поверхностью в виде картинной много - доменной дифракционной решетки или голограммы (МДДР). Пространственная ориентация штрихов в ней задается дизайном пространственной ориентации оптических осей в проектируемом МДЛП. Указанная МДДР имеет частоту штрихов выше, как минимум 600 лин/мм с глубиной канавок решетки менее 20 нм и является тисненной копией оригинальной МДДР [16].

- далее на рельефно структурированную поверхность подложки наносится указанный слой монохромной или спектрально нейтральной композиции ЖКМ c приданием ему картинно анизотропных дихроичных по поглощению свойств с ориентацией оптической оси в ЖК МДЛП, параллельных или ортогональных по ориентации штрихов с МДДР, сформированных в термопластичном слое.

- при этом картинное ориентирование штрихов в них осуществлялось в полном соответствии с заданным дизайном пространственной ориентации вектора ориентации поляризации в формируемом далее на этой поверхности МДЛП. При этом такой рельефно-несущей поверхности придается картинно анизотропные свойства межмолекулярного взаимодействия между приповерхностными молекулами самой подложки и молекулами ЖК слоя.

- однако вследствие малой глубины канавок дифракционно-решеточная информация в каждом из доменов слоя ЖК композиции со структурой МДЛП отсутствует, и он имеет только заданное направление оптических осей в каждом из них, как показано в [17].

- полученные МДЛП в виде аморфных, ориентационно-упорядоченных молекулярных структур в мезоморфном (ЖК) состоянии переводились в «замороженное» аморфное состояние твердотельного слоя МДЛП структуры с сохраненной пространственной картиной направлений ориентации оптических осей, соответствующей картинным направлениям штрихов. Статическая фиксация этой ЖК структуры осуществлялась либо выпариванием растворителя, либо «сшивкой» мономерных или олигомерных ЖК молекул между собой в результате, например их фото- или термо- полимеризацией.

Получение МДЛП поляризаторов с применением ЖКМ возможно и при безрельефном анизотропном ориентационным структурировании приповерхностных молекул слоя подложки (вплоть до мономолекулярного) из фотоанизотропных материалов (ФАМ). После их экспонирования картинно ориентрованным поляризованным излучением, кроме выше указанных в пункте 5 фотоанизотропных свойств, ФАМ проявляют дополнительное свойство ориентировать нанесенный на них слой ЖКМ.

Эффект фотоориенттации ЖКМ впервые в мире был обнаружен В.М. Козенковым в НИОПиКе в России [18,19]. Он осуществляется в результате картинно анизотропного взаимодействия между картинно ориентированными приповерхностными молекулами слоя ФАМ и молекулами ЖК [20]. Примерами таких ФАМ могут быть азокраситель Протравной Чисто Желтый (ПЧЖ) (он же SD-1 [21]), а также фототопохимически полимеризующийся поливиниловый эфир n – метоксикоричной кислоты [14].

3. Способ получения МДЛП поляризаторов слоях ФАМ на основе фотохимически стабильных веществ, указанных в пункте 5 второго аспекта, проявляющих эффект фотоиндуцированной оптической анизотропии под действием поляризованного или неполяризованного, но направленного излучения, одно- или двух- фотонно поглощаемого ими [10].

Примером такого ФАМ может быть органический фотохимически стабильный азокраситель КД-2 (он же AD-1) из класса азокрасителей, наносимый либо на подложку, либо непосредственно на поверхность ЭОП, CCD/CMOS-камеры или методом центрифугирования или термического распыления в вакууме и проявляющего свойство фотоиндуцированного дихроизма под действием поляризованного или неполяризованного, но направленного излучения, поглощаемого им. Он пригоден для получения как спектрально- селективного МДЛП (фиг.7₁), так и нейтрального МДЛП. Последний вариант возможен после его обработки парами йода.

Следующим предметом изобретения является клеевой бездефектный термоперенос МДЛП поляризаторов с подложки донора на подложку акцептора с сохранением их картинных анизотропных оптических свойств. Как установлено заявителями, в качестве акцептора используются внешние и/или внутренние поверхности ЭОПа, например его микроканальные пластины и CCD/CMOS - камеры. При этом термоперенос осуществляется путем оптимизации состава клеевой композиции и температурных, временных и механических воздействий при выполнении операции переноса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематически показан вариант осуществления датчика, предложенного в прототипе [4] (Prior Art),

На фиг.2 иллюстрируется макро-размерный сегментный поляризатор с электро-механическим устройством перемещения, предложенный в прототипе [4] (Prior Art),

На фиг.3 схематически приведена блок-схема предлагаемого поляризационно-фотонного детектора.

На фиг.4 дано схематическое представление картинного расположения микропиксельных поляризаторов 45-48 и их оптических осей в пикселированном домене 44 фрагмента матрицы самого МДЛП поляризатора(ов) 40 (41,42,43).

На фиг.5 приведена блок-схеме предлагаемого поляризационно-фотонного детектора с применением CMOS-камеры 21, непосредственно воспринимающей спектральное излучение регистрируемого изображения 10 и единственного МДЛП поляризатора 40 (41).

На фиг.6 представлена блок-схема массового получения такого МДЛП поляризатора по «roll-to-roll» («от рулона к рулону») технологии методом глубокой печати на структурированной поверхности в виде рельефной дифракционной решетки.

На фиг. 7 представлен спектр поглощения исходно изотропного слоя ФАМ на основе азокрасителя КД-2 до облучения поляризованным светом (кр.2) и после его облучения линейно поляризованным актиничным излучением, вектор поляризации которого совпадает с вектором поляризации измерительного света (кр.1) и соответственно ортогональным ему (кр. 3).

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая сущность и принцип действия предлагаемого поляризационно-фотонного детектора поясняется чертежами фиг.3 и фиг.4.

На фиг.3 схематически приведена общая блок-схема предлагаемого поляризационно-фотонного детектора 300, принцип работы которого, как и дифференциального поляризационно-оптического визуализатора 100 ландшафтных изображений, описанного в патенте-прототипе [4]. Он основан на методе разницы поляризованных изображений («polarization difference imaging»), общие принципы которого описаны в [2,5,6].

Как видно из фиг.3 он также содержит последовательно расположенные основные узлы, такие как входные окна ЭОПа, CCD/CMOS - камеры, служащие для регистрации пространственно модулированного по интенсивности и состоянию поляризации излучения 10 с длиной волны λ₁, например в ближней ИК области спектра, исходящего или отраженного от наблюдаемого, например, ландшафтного объекта (также не показанного на фиг.3). Оно входит в фотонный датчик 300 через блок объектива 11. С помощью объектива 11 на поверхности первого МДЛП поляризатора 41 формируется частично поляризованное, например монохромное, исходное изображение регистрируемого объекта. Указанный поляризатор 41 расположен перед фотокатодом 16 ЭОПа 15, а выходящее из него преобразованное изображение формируется с помощью дополнительного оптического элемента в плоскости расположения катода 16.

При этом МДЛП поляризатор 41 осуществляет пространственно кодированное поляризационное мультиплицирование выходящего из него изначально единого на входе аналогово модулированного по интенсивности и по поляризации изображения исходного аналогового кадра регистрируемого объекта 10.

Далее это преобразованное изображение попадает на фотокатод 16 ЭОПа 15. Фотокатод 16, в соответствии с падающим на него пространственно кодированным изображением, выходящим из 41, генерирует пространственно модулированный по интенсивности поток электронов, который пикселированно усиливается при проходе через каналы макро-канальной пластины (МКП) 17. При этом слой электролюминофора 18 излучает не поляризованное оптическое излучение 19 на другой (видимой) длине волны λ₂ 19, ретранслирующееся с помощью линзовой системы 20 на CCD-камеру 21 с последующей передачей полученной информации в центр управления 24.

Тем не менее, предложенная схема имеет существенные конструкционные отличия. Так, в отличие от патента-прототипа [4], в предложенном детекторе используются три многодоменных поляризатора МДЛП 40 (41, 42 и 43), показанные на фиг.4, где часть микро- поляризаторов условно заштрихованы для простоты наблюдения. В них каждый из доменов (суперпикселей 44), которые состоят (в свою очередь) из, например, четырех определенно ориентированных под углами 0°(H) (45), +45° (46), 90°(V) (48) и 135°(-45°) (46) градусов микрополяризаторов 45-48, установленных, например, перед или за матрицей цветных светофильтров Байера (при детектировании полицветных изображений и не показанных на фиг.4) или непосредственно перед, четырьмя фотодетекторами фотоприемной матрицы CCD-камеры 21. МДЛП поляризаторы (40) постоянно расположены на передней и задней стороне ЭОП, лучше всего непосредственно в контакте с фотокатодом 16 (41) и люминесцирующим 18 (42) слоями ЭОП 15, а также на передней стороне 43 с фоточувствительными (фотодиодными) элементами CCD/CMOS -камеры 21.

На фиг.5 приведена упрощенная блок-схеме предлагаемого поляризационно - фотонного детектора 50 с применением комплекса «МДЛП 40 и CMOS-камеры 21» с размещенной между ними матрицей цветного светофильтра 26, воспринимающего непосредственно спектральное излучение 10 с помощью объектива 11 регистрируемое изображение 10. Это изображение 10 отображается, например на ЖК экране 27.

Оптимальное число и размер микрокартинных пит в МДЛП поляризаторах определяются назначением и техническими возможностями гибридной схемы, состоящей из «микроканального ЭОП и CCD/CMOS-камер» 300, а формирование разностного изображения осуществляется непосредственно в электронном блоке CCD-камеры 21 или CMOS-камеры (вместо CCD-камеры) 21. При этом необходимость в электро-механического привода 13 и электро-механического переключателя 22 (фиг.1) отсутствует.

Ранее было предложено несколько вариантов формирования микрокартинных поляризаторов [22-24]. Однако указанные технологии представляют интерес только для использования в лабораторных исследованиях.

В настоящем изобретении кратко изложена информация о разработанных вариантах способа формирования таких поляризаторов, которые могут использоваться в промышленном производстве много - доменных (пикселированных) поляризаторов.

Пример 1

Описывается способ получения МДЛП поляризаторов, структура которых представлена на фиг.3. Использовался лиотропный ЛЖКМ, картинно ориентированный с помощью рельефонесущих дифракционных решеток (РДР), на которые наносился слой лиотропного ЖК в изотропном состоянии. Указанные РДР получались на позитивном фоторезисте ФП-383М, производимом и модифицированном в НИОПиКе для интерференционной записи РДР и голограмм. Запись РДР осуществлялась по «Dot-matrix» методу на установке АО «НПО Криптен».

Параметры РДР (пространственная частота и глубина штрихов) для ориентации дихроичного ЛЖКМ фирмы Corning и получения МДЛП поляризаторов находились в пределах 600-900 лин/мм и менее 20 нм, соответственно. Направления ориентаций штрихов в каждом из микрообластей домена были равны 0°, 45°, -45° и 90° друг относительно друга.

На фиг. 6 представлена блок - схема массового получения такого МДЛП поляризатора по «roll-to-roll» («от рулона к рулону») технологии методом глубокой печати на структурированной поверхности в виде РДР.

Для массового производства МДЛП, рабочая мастер-голограмма (РДР) 60 размещалась на традиционном валу-эмбоссере 61 установки для тиснения РДР и в термомпластическом слое 62 с указанной рабочей матрицы 60 производилось тиснение на поверхности этого слоя 62 картинно-структурированной области МДЛП 63. В качестве подложки использовался рулон ПЭТ пленки толщиной 23 мкм и шириной 120 мм c нанесенным на нее изотропным термопластическим слоем 62. Для увеличения смачиваемости изотропного раствора ЛЖКМ 64 относительно поверхности 63 слоя 62 на него после тиснения РДР и перед нанесением ЛЖК на поверхность поверхностно-структурированного слоя 63 термическим испарением в вакууме или полиграфическим способом наносился тонкий промежуточный твердотельный изотропный аморфный слой ZnS (на фиг.4а не показан). Слой ZnS имеет толщину от 10до 100, повторяя поверхностный профиль 63. Он мог быть нанесен и перед стадией тиснения. Кроме того, между ПЭТ слоем и слоем 62 мог быть размещен и разделительный восковой слой толщиной порядка 0,5-1 мкм.

После этого на поливочной установке по “roll-to-roll” технологии методом глубокой печати на слой 63 наносился изотропный поглощающий лиотропный раствор 64 ЛЖКМ (фирма Corning, Франция). Эта композиция обеспечивала нейтральность («серость») по цвету получаемого из него по упомянутому в [8] методу одноосно поляризационного светофильтра с величиной дихроичного пропускания в УФ области спектра на длине волны 365 нм порядка 0,85.

В примере 1 нанесенный на рельефный дифракционно - несущий слой 63 слой ЛЖК 64 первоначально оставался в изотропной фазе 65 и хорошо растекался по поверхности, полностью заполняя углубления рельефных штрихов слоя 63. Последующее частичное испарение растворителя с помощью нагревателя 66 приводило к переводу нанесенного слоя ЛЖК материала в высоко ориентированную с помощью поверхностно-структурированного слоя 63 лиотропную фазу 67, которая, в свою очередь, после полного испарения растворителя превращалась в твердотельный МДЛП поляризатор 68, наматываемый на вал в виде рулона 69.

Пример 2

Способ получения матриц МДЛП на фотоотвержденных термотропных ТЖК композициях SP-RMS-14-030 фирмы MERCK (с примесью дихроичных красителей, спектрально селективно поглощающих в определенной частотной области), аналогичен примеру 1, но ориентация ЖК композиций осуществлялась с применением метода их фотоориентации с помощью ФАМ [9,10].

Такими ФАМ были азокраситель Протравной Чисто Желтый (ПЧЖ) (он же SD-1 [21]), а также фототопохимически полимеризующийся поливиниловый эфир n-метоксикоричной кислоты [14], оба производства НИОПиК (Москва, Россия). Анизотропный МДЛП дизайн поверхности ориентирующего слоя на основе ФАМ был осуществлен методом классической фотолитографии [19-20] с применением линейно поляризованного экспонирующего излучения от УФ лампы ДРШ-250 и МДЛП поляризатора в качестве анизотропной поглощающей фотомаски, изготовленной аналогично способу с применением ЛЖКМ и РДР, описанному в примере 1.

При этом подобная дихроично поглощающая фотохимически стабильная фотомаска может быть изготовлена и на основе супервысокочастотных и супертонких дифракционных решеток.

Пример 3

В этом примере осуществлен вариант получения анизотропного МДЛП с использованием слоя фотоанизотропного материала (ФАМ). Сначала использовался метод классической фотолитографии для формирования линейного поляризатора, однородного по ориентации оптической оси по всей его поверхности. Для этого в качестве ФАМ использовался слой органического фотохимически стабильного вещества из класса азокрасителей АД-1 (он же КД-2 производства НИОПиК Москва, Россия).

Слой указанного вещества наносился на подложку либо методом центрифугирования, либо термического распыления в вакууме. Он проявлял свойство фотоиндуцированного дихроизма вследствие одномерной молекулярной упорядоченности во всем объеме слоя под действием равномерного по всей поверхности линейно поляризованного излучения ртутной лампы ДРШ-250, поглощаемого им.

На фиг. 7 показан спектр поглощения слоя данного красителя в исходном (изотропном) состоянии (кр. 1), и после облучения актиничным поляризованным светом он становится сильно анизотропным, как это видно на кр. 2 и кр. 3 для двух взаимно ортогональных состояний поляризации зондирующего излучения.

Учитывая крайне высокое значение ФИА, такой ФАМ вполне пригоден для формирования на нем поляризационных масок в виде МДЛП структур.

На указанном слое КД-2 был изготовлен МДЛП поляризатор в качестве поляризованной фотомаски. Запись осуществлялась методом классической проекционной УФ фотолитографии. Экспонирование изотропного слоя КД-2 осуществлялось УФ излучением лампы ДРШ-250 с длиной волны 365 нм. При этом в качестве фотошаблона для экспонирования использовался образец МДЛП поляризатора, записанный изначально в примере 1 на ЛЖК материале.

Таким образом, учитывая крайне высокое значение фотоиндуцированного дихроизма слоя азокрасителя КД-2 он может и сам использоваться в качестве поляризационного фотошаблона для массового фотооптического тиражирования МДЛП структур амплитудного и фазового типа на поглощающих или отражающих ЛЖКМ или ТЖКМ.

Общим свойством всех этих описанных в примерах методов является то, что толщина предлагаемых дихроичных слоев МДЛП поляризаторов составляет от нескольких мкм до 10 мкм, в зависимости от применяемого для его изготовления Лиотропного ЖК или Термотропного ЖК материалов. Толщина слоев МДЛП поляризаторов из ФАМ на основе фотохимически стабильных красителей , например КД-2 составляла от 1 до 3 мкм, после его обработки парами йода исходя из концентрации красителей в составе растворов ФАМ или режимов напыления.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Описанные варианты осуществления изобретения иллюстративны, возможны многочисленные вариации и модификации его реализации.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в неблагоприятных атмосферных условиях для наблюдения и/или получения изображения с повышенным контрастом в приборах ночного видения (ПНВ) в военной технике для обеспечения боевых действий ночью (разведка, прицеливание, вождение боевых машин всех видов). За последние годы ПНВ активно применяются и в гражданской технике для разведки и добычи полезных ископаемых, в спасательных работах, астрономических исследованиях, для производственного и экологического контроля, в ночной навигации и вождении автотранспортных, аэровоздушных и водных средств в специальных климатических и погодных условиях, при ночной видеосъемке, в работе спецслужб, правоохранительных органов и таможенных служб, в медицине и др.

Все такие вариации и модификации пригодны для того, чтобы быть в пределах объема притязаний настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Более конкретно, особенности поверхности, форма, полутона, шероховатость, зеркальность, закрытость контура и свойства материала латентного ландшафта могут быть извлечены, если использовать его поляризационные компоненты вектора Стокса.

Предложенный метод позволяет восстанавливать поляризационные изображения, скрытые, например, диффузно-рассеивающей средой, например, типа бумаги или какой-либо другой светорассеивающей средой.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики, М. «Наука»,1973.

2. Pat. US 5975702 (1999). Method of using polarization differencing to improve vision.

3. RU 2431936 (2011). Способ тепловизионного распознавания формы объектов.

4. Pat. US 7193214. (2007). Sensor using differential polarization and a network comprised of several such sensors.

5. W.E. Mickols, J.D. Corbett, M.F. Maesture, Differential polarization imaging, 297-312, in “Polarized spectroscopy of ordered systems”, Ed. B. Samori`, E.W. Thulstrup, vol.242, of NATO ASI Series C: Mathematical and Physical Sciences (1988), Kluwer Academic Publishers.

6. C. Bustamante, M. Kim, D.A. Beach, Differential polarization imaging: theory and applications, 313-355, in “Polarized spectroscopy of ordered systems”, Ed. B. Samori', E.W. Thulstrup, vol.242, of NATO ASI Series C: Mathematical and Physical Sciences (1988), Kluwer Academic Publishers.

7. Pat. US 3971065 (1976). Color imaging array.

8. А.В. Иващенко, Дихроичные азокрасители для жидкокристаллических дисплеев, Хим. пром., сер. Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1987.

9. А.В. Иващенко, Дихроичные антрахиноны для жидкокристаллических дисплеев, Хим. пром., сер. Анилинокрасочная пром., НИИТЭХИМ, Черкассы, 1989.

10. Pat. US 7381507 (2008). Photo-patterned liquid polarizing films, H.-S. Kwok, W.-C. Yip, V. Chigrinov, V. Kozenkov.

11. С.П. Палто, Эффекты молекулярного поля в пленках Лэнгмюра - Блоджетт: Оптика и Штарк-спектроскопия, Докторская дисс., 1998.

12. Пат. РФ 268387 (2008). Способ формирования поляризационно-чувствительного материала, поляризационно-чувствительный материал, полученный указанным способом, и поляризационно- оптические элементы и устройства, включающие указанный поляризационно-чувствительный материал, В.В. Беляев, Д.Р. Чаусов, В.М. Козенков, А.А. Спахов.

13. V.M. Kozenkov, S.A. Magnitskiy, N.M. Nagorskiy, and Y. Jung, Orientation of the AD-1 azo-dye molecules in thin nanostructured films by the two-photon excitation, Preprint No 7/2007 (Faculty of Physics, Moscow State University, Moscow), pp. 1-35 (2007).

14. Пат. RU 1769607 (1990), Поляризационно-чувствительный фотографический материал, В.М. Козенков, П.П. Кисилица, Н.И. Ганущак и др.

15. Е.Д. Квасников, В.М. Козенков, В.А. Барачевский, «Двулучепреломление в пленках поли(винил-циннамата), индуцированное поляризованным светом», ДАН АН СССР, 237, 633-636 (1977).

16. В.М. Козенков, Б.Р. Шаталов, Получение тонкопленочных картинных анизотропных элементов на рельефно-структурированных поверхностях, 13-я Международная Конференция ГолоЭкспо 2016, 12-15 сентября 2016 г. Ярославль, Россия, Тезисы докладов, 242-246.

17. Л.М. Блинов, «Жидкие кристаллы: структура и своойства», М.: Книжний дом «ЛИБРООКОМ», 2013, 480 стр.

18. А.В. Дядюша, В.М. Козенков, Т.Я. Марусий, А.И. Хижняк, Свойства слоев НЖК, планарно ориентированных анизотропной поверхностью без микрорельефа, 2-ой Всесоюзный семинар «Оптика жидких кристаллов», Красноярск, 17-21 сентября 1990 г., тезисы докладов, 130-131.

19. V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, and H.S. Kwok, Photoaligning of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications, Wiley Publication, England, 2008, pp. 231.

20. M. Schadt, K. Schmitt, V. Kozenkov, V. Chigrinov «Surface- induced parallel alignment of liquid crystals by linearly polymerized photopolymers». Jap. J. Appl. Phys. P.1., 31, 2155-2164 (1992).

21. Пат. РФ 2707990 (2019). Поляризационно-чувствительный материал на основе фотохимически стабильных органических веществ, В.М. Козенков, В.В. Беляев, Д.Н. Чаусо.

22. US 5327285 (1994). Methods for manufacturing micropolarizers. J. Guo, D. Drady, Fabrication of thin-film micropolarizer arrays for visible imaging polarimetry, Appl. Opt., 39, 1486-1492 (2000).

23. J.S. Tyo, M.P. Rowe, E.N. Pugh, N. Engheta, Target detection in optically scattering media by polarization-differepce imaging, Appl. Opt., 35, 1855- 1871 (1996).

24. J.S. Tyo, D.L. Goldstein, D.B. Chenault, J.A. Shaw, Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications, Appl. Opt., 45, 5453-5469 (2006).

Настоящее изобретение относится к оптическим системам. Поляризационно-фотонный детектор низкоконтрастных изображений содержит объектив с диафрагмой для сбора оптического излучения, объектив, осуществляющий проектирование изображения через пространственно структурированный по ориентации оптической оси линейный поляризатор на фотокатод электронно-оптического преобразователя, на выходе которого формируется преобразованное оптическое изображение объекта в другой области спектра, оптическую систему, переносящую модифицированное изображение в плоскость фоточувствительной матрицы регистрирующего устройства камеры, формирующей на ее выходе изображение с повышенным контрастом, при этом используется как минимум один пространственно структурированный линейный поляризатор, выполненный в виде единой поляризационной фотомаски, представляющей собой матрицу многократно пространственно мультиплицированных одинаковых доменов линейных поляризаторов с пространственно структурированной по ориентации оптической осью. Технический результат – повышение контрастности и оптимизация конструкции. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поляризационно-фотонный детектор низкоконтрастных изображений, включающий, в общем случае, в своем составе объектив с диафрагмой для сбора исходящего от объекта и окружающего фона частично поляризованного оптического излучения в ближней УФ-, видимой или ИК области спектра, объектив, осуществляющий проектирование его изображения через пространственно структурированный по ориентации оптической оси линейный поляризатор на, в общем случае, фотокатод электронно-оптического преобразователя типа ЭОП, на выходе которого формируется преобразованное оптическое изображение объекта, в общем случае, в другой области спектра, оптическую систему, служащую для переноса этого модифицированного изображения в плоскость расположения фоточувствительной матрицы регистрирующего устройства типа ССD- или CMOS-камеры, формирующей на ее выходе электронное, или визуально видимое, или машиночитаемое изображение с повышенным контрастом, отличающийся тем, что в указанном детекторе используется как минимум один пространственно структурированный линейный поляризатор, выполненный в виде единой поляризационной фотомаски, представляющей собой матрицу многократно пространственно мультиплицированных одинаковых доменов линейных поляризаторов с пространственно структурированной по ориентации оптической осью.

2. Поляризационный фотодетектор по п. 1, в котором спектральная область от регистрируемого объекта не совпадает с областью спектральной чувствительности фотоэлемента регистрирующей ССD/CMOS-камеры.

3. Поляризационный фотодетектор по пп. 1 и 2, в котором используются три многодоменных линейных поляризатора.

4. Поляризационный фотодетектор по п. 3, где указанные поляризаторы установлены с обеих сторон ЭОПа и перед ССD/CMOS-камерой соответственно.

5. Поляризационный фотодетектор по пп. 3 и 4, где указанные поляризаторы могут иметь одинаковые или разные топологические размеры.

6. Поляризационный фотодетектор по пп. 1-5, в котором многодоменный линейный поляризатор осуществляет одновременное пространственно-кодированное поляризационное мультиплицирование выходящего из него изначально единого на входе аналогово пространственно модулированного по интенсивности и по поляризации изображения исходного кадра регистрируемого объекта, а регистрирующая ССD/CMOS-камера производит обратное декодирование этого закодированного изображения в исходное изображение с улучшенным контрастом.

7. Многодоменный линейный поляризатор, содержащий в своем составе матрицу многократно пространственно мультиплицированных одинаковых доменов линейных поляризаторов с пространственно картинно структурированной по ориентации оптической осью, при этом поверхность каждого из доменов состоит как минимум из семейства четырех (2×2) микрополяризаторов с одинаковыми поляризационно-оптическими спектрально-селективными или нейтральными свойствами с топологически заданными пространственными конфигурациями занимаемых ими спаренных микроразмерных твердотельных областей и ориентаций оптической оси в каждом из этих микродоменных линейных поляризаторов.

8. Многодоменный линейный поляризатор по п. 7, в котором топологический дизайн микроразмерных областей микрополяризаторов с взаимно ортогональными направлениями вектора поляризации в каждой из пар, входящих в состав домена, может быть одинаковым или разным, но полностью находящимся в пространственной области этого домена.

9. Многодоменный линейный поляризатор по п. 7, все семейство микрополяризаторов, входящих в состав домена, состоит из попарно взаимно ортогонально ориентированных по оптической оси микроразмерных областей.

10. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 7 и 9, отличающийся тем, что все микрополяризаторы доменов поляризатора, выполненных в виде (2×2) домена, имеют ориентацию оптической оси в каждом из них под углом 0°(H), +45°, 90°(V) или 135°(-45°) соответственно.

11. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 7-10, сумма микрообластей всех микрополяризаторов, входящих в состав домена, равна площади самого домена.

12. Многодоменный линейный поляризатор по п. 7, домены в котором размещены без или с пространственными поглощающими или прозрачными изотропными микроразмерными зазорами по координатам «х» или «у» между ними.

13. Многодоменный линейный поляризатор по п. 7, выполненный в виде моно- или спектрально-селективного светофильтра в УФ-, видимой или ИК области спектра.

14. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 7 и 13, отличающийся тем, что в качестве материалов для них могут использоваться композиции на основе как минимум одного из фотохимически стабильных, селективно поглощающих между 350 нм и/или 1500 нм органических веществ.

15. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 13 и 14, отличающийся тем, что в качестве фотохимически стабильных веществ используются:

- красители, например, азо- моно-, дис-, трис- или полиазокрасители, металлокомплексные или комплексообразующие азокрасители или антрахиноновые и другие красители, применяемые в качестве «гостя» в термотропных жидкокристаллических матрицах («хозяин») в ЖК-дисплейной технике;

- другие анизотропные красители, проявляющие лиотропные ЖК свойства в определенных растворителях;

- азокрасители с полярными гидрофильными «головками» и длинными углеводородными липофильными «хвостами» для пленок Лэнгмюра-Блоджетт;

- красители из класса сублимационных веществ, т.е. переходящих из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя стадию плавления;

- а также фотоанизотропные материалы (ФАМ) на основе фотохимически стабильных красителей, проявляющих фотоиндуцированную оптическую анизотропию под действием поляризованного или даже неполяризованного, но направленного излучения, одно- или двухфотонно поглощаемого ими, и жидкокристаллические материалы, пространственно-картинно ориентированные с помощью молекулярных слоев из фотоанизотропных материалов, используемых также и для формирования самих поляризаторов.

16. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 7, 13-15, отличающийся тем, что твердотельные картинно ориентированные спектрально-селективные или нейтральные микродоменные линейные поляризаторы получаются с использованием лиотропных и/или термотропных жидкокристаллических материалов или фотоанизотропных материалов, проявляющих фотоиндуцированную дихроичную анизотропию при одно- или двухфотонном поглощении ими поляризованного или неполяризованного, но направленного излучения.

17. Многодоменный линейный поляризатор по п. 16, отличающийся тем, что пространственно-картинная ориентация жидкокристаллических материалов осуществляется с помощью подложки с рельефно-структурированной дифракционно- решеточной поверхностью или поверхностью без рельефа с помощью приповерхностных ориентированных молекулярных структур из фотоанизотропных материалов.

18. Многодоменный линейный поляризатор по пп. 15-17, отличающийся тем, что пространственно-картинная ориентация жидкокристаллических материалов осуществляется с помощью подложки с поверхностью без рельефа с помощью приповерхностных ориентированных молекулярных структур из фотоанизотропных материалов.

19. Многодоменный линейный поляризатор по п. 16, отличающийся тем, что поляризатор формируется в объеме фотоанизотропных материалов на основе фотохимически стабильных анизотропных веществ.