Устройство для формирования цветного изображения на плоскости Российский патент 2025 года по МПК G02B27/08 B44F1/14 

Изобретение относится к области устройств, предназначенных для отображения информации, и может быть использовано для проведения массовых зрелищных мероприятий и, в том числе, в обучающих целях.

С помощью настоящего технического решения на мониторе формируется виртуальное цветное трехмерное изображение, третьим измерением которого является цвет и яркость изображения. Назначение настоящего изобретения заключается в усилении эмоционального воздействия, что может быть использовано при проведении зрелищных мероприятий, таких как концерты, а также выставки, например, ювелирных изделий, минералов, драгоценных и полудрагоценных камней и керамики, парки развлечений, интерактивные музеи. Кроме того, настоящее техническое решение может применяться в сфере обучения - для демонстрации одновременно и раздельно нескольких физических эффектов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом: изменение рассеяния, пропускания и отражения света, интерференция световых волн, иризация, люминесценция. Изобретение также может быть востребовано пользователями в домашних условиях для релаксации и творческого развития формирования цветовой гаммы, так как предложенный в изобретении индикатор изображения обладает низкой себестоимостью, и все устройство для формирования цветного изображения на экране, включая индикатор из опаловой матрицы, сравнимо со стоимостью персонального компьютера.

Известен цветофеерический проектор [1], который относится к оптико-механической, диапроекционной аппаратуре, применяемой в индустрии зрелищных развлечений, и служит для создания во входящем в его состав калейдоскопе Трофимова световых, многоцветных, цветофеерических узоров, проекции их луча на экранирующую поверхность и получения на ней световых, многоцветных, движущихся вокруг оптической оси цветофеерического проектора, быстросменяющихся, быстро меняющих свои цвета и форму цветофеерических узоров. Технический эффект - заключается в увеличении разнообразия и зрелищности цветофеерических изображений узоров на экранирующей поверхности.

Указанное изобретение имеет следующие недостатки: цветовая гамма в виде узора предсказуема и имеет ограниченное число вариантов в калейдоскопе.

Известно изобретение [2] в области создания анимационных эффектов, связанное с цветным изображением, усиливающим эмоциональное воздействие при сопровождении соответствующих звуковых произведений, в которых используется связь звукоряда и цветового ряда. В этом изобретении исполняемая мелодия переводится контроллером в цвет, для чего используется хроматический круг, и устройство формирования цветного изображения воспроизводит партию цвета в соответствии с сигналами контроллера. Такое изобретение может быть использовано при сопровождении звуковых произведений, например, музыкальных (цветомузыки) или сигнальных, и может быть использованы в концертных залах, в театрах, на дискотеках, в быту, в компьютерных играх.

Недостатками данного изобретения является то, что для формирования цветового изображения не используются эффекты иризации и люминесценции, которые обогатили бы цветовую гамму, формируемую на экране или мониторе.

Известно устройство для отображения информации [3], включающее индикатор, формирующую оптику и голограмму, в котором в качестве индикатора используется микродисплей с фазовой модуляцией, который освещается лазерным источником излучения.

Недостатком данного изобретения является то, что формирование голографичиеского изображения является дорогостоящим. Кроме этого, при отображении информации устройство не использует эффекты иризации и люминесценции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является калейдоскопический проектор [4], который относится к эпидиапроекционным аппаратам и предназначен для проецирования калейдоскопических узоров на экран с развлекательно-увесилительными или лечебно-оздоровительными целями. Технический результат заключается в увеличении числа цветов и оттенков, участвующих в цветовой гамме формируемого на экране изображения за счет применения в кассете как диаскопических, так и эпископических материалов, в том числе драгоценных минералов и металлов.

В качестве недостатков можно указать предсказуемость цветовой гаммы, высокая стоимость из-за использования драгоценных камней, невозможность оказывать существенного влияния на формирование цветовой гаммы.

Технической задачей данного изобретения является получение одновременного эффектов иризации и люминесценции при создании цветного изображения на плоскости экрана или монитора.

Для достижения поставленной задачи предлагается устройство содержащее: индикатор 1 на основе синтетической пористой опаловой матрицы, пропитанной жидкостью, в качестве которой могут быть использованы спирты, например этанол, бутанол, этиленгликоль, их растворы и ксерогель (твердотельный продукт золь-гель синтеза), сформированный в порах опаловой матрицы, легированный люминесцирующими ионами, в результате чего достигается возможность получения как иризации в жидкостях, так и иризации, и люминесценции одновременно, в качестве люминофора могут выступать синтезированный золь-гель методом титанат бария, оксид титана, оксид кремния и другие твердотельные соединения, легированные ионами эрбия, иттербия, европия или другими ионами и их комбинацией; формирующую оптику с цифровой камерой 3; источник света 2, в качестве которого используется источник белого света; лазер инфракрасного диапазона 5 или лазер коротковолнового излучения 6, модулятор 7 подсветки и/или лазерного излучения; монитор 4, отображающий полученное изображение.

Опал - это оксид кремния глобулярного строения с размером глобул 150-450 нм. Известно, что как синтетический (созданный человеком), так и натуральный (минерал) опал демонстрируют видимую невооруженным глазом иризацию цвета - переливание и изменение цвета при попадании на образец естественного солнечного света или при освещении искусственным источником света. Физический эффект, который лежит в основе иризации -интерференция световых волн на ансамблях упорядоченных монодисперсных глобул кремнезема. Синтетические опалы получают из суспензий монодисперсных глобул кремнезема седиментацией или центрифугированием с последующей термообработкой и пропиткой. Опаловая матрица - промежуточный твердотельный продукт синтеза опалов, которая характеризуется большим пористым объемом, меньшей иризацией, меньшей твердостью и меньшей себестоимостью по сравнению с опалами ювелирными. Опаловая матрица не является драгоценным камнем и представляет собой искусственный продукт золь-гель синтеза с себестоимостью гораздо меньшей по сравнению с драгоценным натуральным или искусственным камнем.

Пример синтеза искусственного опала и опаловых матриц, и их морфология описаны в [5, 6].

Опаловые матрицы на воздухе обладают слабо выраженной иризацией из-за значительного диффузного рассеяния. Опаловые матрицы пористые, образуя между своими шариками трехмерное периодическое пространство пор с размером около нескольких десятков нанометров. Они более хрупкие, чем натуральные опалы, что делает их менее ценными на рынке. Пористая опаловая матрица с люминофором является искусственно синтезированным продуктом и обладает широким спектром цветовых оттенков. За счет мезоскопической решетки пор, проникновение различных жидкостей в поры опаловой матрицы обеспечивается уменьшение диффузного рассеяния света, что обеспечивает яркую иризацию, а физически это означает появление интерференционных максимумов в спектрах отражения и соответствующих им минимумов в спектрах пропускания. Эффект изменения иризации при пропитке синтетического опала жидкостями является зрелищным и может демонстрироваться на мониторе или экране в виде трехмерного цветного изображения. Иризацию может изменять сам пользователь/наблюдатель на разных стадиях пропитки, т.е. влиять на формирование образа на плоскости экрана или монитора, изменяя его цвет за счет изменения условий освещения объекта, например, угла падения света, расстояния от источника освещения до объекта, яркости освещения и др.

Опаловая матрица, содержащая в себе люминофор и демонстрирующая люминесценцию в видимом спектральном диапазоне 400-800 нм способна формировать цветное изображение. Для этого в качестве одного из примеров предлагается использовать золь-гель синтез в порах индикаторов типа опаловая матрица/люминофор. Изменение цвета и иризации опаловой матрицы и его изображения на плоскости монитора или экрана достигается за счет введения в опал коллоидных растворов - золей и их последующей термообработки, что приводит к формированию в порах опаловой матрицы ксерогеля, в том числе и ксерогеля, легированного люминесцирующими ионами [7], в том числе ионами, демонстрирующими из объема опаловой матрицы стоксовую люминесценцию, антистоксовую люминесценцию, а также стоксовую и антистоксовую люминесценцию одновременно.

Такими люминесцирующими ионами в структуре пористая матрица -ксерогель могут быть лантаноиды или переходные металлы, например, марганец.

Возможно также введение люминесцирующих ионов в опал и без золь-гель синтеза, например, осаждением из растворов солей или осаждением квантовых точек (нанокристаллов).

В настоящем изобретении из опаловой матрицы может наблюдаться и ап-конверсионная люминесценция лантаноидов, а именно, видимая люминесценция, возбуждаемая лазером инфракрасного диапазона, не видимым глазом и не вызывающим флуоресценцию опаловой матрицы.

В качестве примеров приведены экспериментальные данные антистоксовой и стоксовой люминесценции трехвалентных ионов эрбия и европия в титанате бария, сформированном золь-гель методом, в порах опаловой матрицы. Согласно проведенным исследованиям, при температурах термообработки 450-600°С перемешивания слоев оксида кремния и титаната бария не происходит, и при этом из материалов, содержащих оксид кремния и титанат бария, можно наблюдать стоксовую и антистоксовую люминесценцию лантаноидов [8].

Следствием этого является сохранение иризации и появление люминесценции в опаловой матрице, содержащей люминофор на основе титаната бария, сформированного в порах опаловой матрицы.

Пример 1. Иризация индикатора из опаловой матрицы в этаноле без люминесценции.

В качестве индикатора 1 использовалась опаловая матрица размером 7×7 мм, погруженная в этанол. Для формирования образа опала на мониторе 4 достаточно используют формирующая оптика с цифровой камерой 3 (камера на 48 мегапикселей с HDMI выходом и монитором с входным портом HDMI). Иризация опаловой матрицы происходит при освещении источником белого света 2. Процесс пропитки опала и изменение его иризации сохраняется в памяти камеры 3, сам процесс пропитки и иризации одновременно визуализируется на мониторе 4. Пользователь может управлять иризацией, изменяя условия освещения источником 2 и (или) степень пропитки, и при этом наблюдать изменяющийся многоцветный образ индикатора 1 на мониторе 4. Использование камеры с более высоким разрешением и дополнительных объективов обеспечит повышение глубины резкости и разрешения изображения на мониторе/экране. Пример 1 иллюстрируется на Фигуре 1 и 2.

Пример 2. Иризация и антистоксовая ап-конверсионная люминесценция индикатора из опаловой матрицы с люминофором.

В индикаторе 1 из опаловой матрицы золь-гель методом синтезируют ксерогель титана бария, легированный эрбием и иттербием, BaTiO₃: (Er/Yb), а наряду с освещением источником белого света 2 по примеру 1 используют дополнительное освещение индикатора 1 лазером инфракрасного диапазона 5 с длиной волны 980 нм. На мониторе 4 формируют образ индикатора 1 из опаловой матрицы с люминофором с иризацией и люминесценцией одновременно. Во время формирования на мониторе 4 образа индикатора по примеру 1, в индикаторе 1 лазер инфракрасного диапазона 5 возбуждают антистоксовую люминесценцию, по примеру 2 - ап-конверсионная люминесценция эрбия, которая придает опаловой матрице дополнительный к ее иризации цвет люминесценции. Для этого используют лазерное излучение с длиной волны 980 нм, которое эффективно поглощается ионами иттербия и повышает интенсивность ап-конверсионной люминесценции эрбия с излучением ап-конверсионной люминесценции индикатором 1 в видимом диапазоне. При этом само лазерное излучение не регистрируется видеокамерой, так как находится за порогом ее спектральной чувствительности, и не искажает совокупной цветовой гаммы люминесценции и иризации образца опаловой матрицы на мониторе (экране). Пример 2 иллюстрируется фигурами 3,4.

Пример 3. Иризация и стоксовая люминесценция индикатора из опаловой матрицы с люминофором.

В примере 3, в отличие от примера 2, вместо ксерогеля, легированного эрбием и иттербием, в порах опаловой матрицы синтезируют ксерогель, легированный ионами европия, демонстрирующими стоксовую люминесценцию (видимую люминесценцию, возбуждаемую источником коротковолнового излучения), а вместо лазера инфракрасного диапазона используют лазер коротковолнового излучения 6 с длиной волны 325 нм. Пример 3 иллюстрируется на фигурах 5, 6.

Пример 4. Иризация, антистоксовая и стоксовая люминесценция индикатора из опаловой матрицы с люминофором (люминофорами).

В отличие от примеров 2 и 3, вместо ксерогеля, легированного эрбием и иттербием (пример 2) или европием (пример 3), в порах опаловой матрицы синтезируют ксерогель, легированный ионами эрбия, иттербия и европия, и опаловая матрица демонстрирует одновременно иризацию, антистоксовую люминесценцию, возбуждаемую лазером инфракрасного диапазона 5 и стоксовую люминесценцию, возбуждаемую лазером коротковолнового излучения 6. Пример 4 иллюстрируется фигурами 7, 8.

Пример 5. Иризация и люминесценция индикатора из опаловой матрицы с интенсивностью освещения и (или) возбуждения люминесценции, управляемой звукорядом сопровождаемого музыкального произведения.

В отличие от примеров 1, 2, 3, 4, интенсивность источников излучения (источника белого света 2, лазера инфракрасного диапазона 5 и лазера коротковолнового излучения 6) управляется модуляторами 7. Модуляторами может прерываться или ослабляться как излучение белого света, вызывающего иризацию индикатора 1, так и излучение лазеров 5, 6, возбуждающих люминесценцию индикатора 1 вместе или по отдельности. Работа модуляторов может управляться звукорядом музыкального произведения, исполняемого одновременно с освещением индикатора 1 источниками излучения 2, 5, 6.

Источники информации:

1. RU 2437131, МПК G02B 27/08, Цветофеерический проектор, Трофимов Г.А.

2. RU 2103739 С1, МПК G06T 15/70, A63J 17/00, Способ формирования цветного изображения, заявка 97107978/09 от 05.05.1997, опубл. 27.01.1998.

3. Заявка №2013156106, МПК G02B 5/32, G02B 27/14, Способ и устройство для создания виртуального изображения», Асланов Эмиль Рафик оглы Пономарев Виталий Андреевич (RU), Щербина Антон Алексеевич, заявка: 2013156106/28 от 18.12.2013, опубл. 27.06.2015 Бюл. №18.

4. RU 2154850, МПК G02B 27/08, Калейдоскопический проектор, Макарычев Г.Н., заявка: 96113172/28 от 18.12.2013, опубл. 02.07.1997.

5. Bogomolov V.N., Gaponenko S.V., Germanenko I.N., Kapitonov A.M., Petrov E.P., Gaponenko N.V., Prokofiev A.V., Ponyavina A.N., Silvanovich N.I., Samoilovich S.M. Photonic band gap phenomenon and optical properties of artificial opals // Phys. Rev. E. - 1997. - Vol.55. - P. 7619-7625.

6. Способ получения синтетического материала со структурой благородного опала: патент РФ №2162456 С1 / М.И. Самойлович, С.М. Самойлович. - Опубл. 27.01.2001.

7. Gaponenko N.V. Sol-gel derived films in mesoporous matrices: porous silicon, anodic alumina and artificial opals // Synthetic Metals. - 2001. - Vol. 124, N1. - P. 125-130.

8. Ekaterinal. Lashkovskaya, Nikolai V. Gaponenko, Margarita V. Stepikhova, Artem N. Yablonskiy, Boris A. Andreev, Vadim D. Zhivulko, Alexander V. Mudryi, Igor L. Martynov, Alexander A. Chistyakov, Nikolai I. Kargin, Vladimir A. Labunov, Tamara F. Raichenok, Sergey A. Tikhomirov and Victor Yu. Timoshenko / Optical Properties and Upconversion Luminescence of ВаТЮз Xerogel Structures Doped with Erbium and Ytterbium // Gels. - 2022. -Vol.8. - P. 347 (15 pages). DPI: 10.3390/gels8060347.

Изобретение относится к области устройств для отображения информации и может быть использовано для проведения массовых зрелищных мероприятий и в обучающих целях. Для создания виртуального цветного изображения используется индикатор в виде пористой опаловой матрицы, состоящей из монодисперсных аморфных сфер кремнезема размером 140-600 нм, содержащей в своем объеме люминофор, частично заполнивший объем пор, и повышающий иризацию при погружении в жидкость. Кроме иризации индикатор демонстрирует видимую люминесценцию, возбуждаемую ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования цветного изображения, используя эффекты иризации и люминесценции из опаловой матрицы, содержащей люминофор, и в возможности пользователем управлять формированием виртуального цветного изображения, изменяя условия освещения индикатора и время пропитки в жидкости. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для формирования цветного изображения на плоскости, включающее индикатор, формирующую оптику с подсветкой, цифровой камерой и дисплеем, характеризующееся тем, что для создания виртуального цветного изображения используется индикатор в виде опаловой матрицы с жидкостью, демонстрирующий иризацию на дисплее.

2. Устройство для формирования цветного изображения на плоскости по п.1, отличающееся тем, что используется опаловая матрица, содержащая в себе люминофор, а одновременно с подсветкой используется лазер инфракрасного диапазона, вызывающий в опаловой матрице одновременно с иризацией видимую антистоксовую люминесценцию люминофора, возбуждаемую этим лазером.

3. Устройство для формирования цветного изображения на плоскости по п.1, отличающееся тем, что используется опаловая матрица, содержащая в себе люминофор, а одновременно с подсветкой используется лазер коротковолнового излучения, вызывающий в опаловой матрице одновременно c иризацией видимую стоксовую люминесценцию люминофора.

4. Устройство для формирования цветного изображения на плоскости по п.1, отличающееся тем, что используется опаловая матрица, содержащая в себе люминофор, а одновременно с подсветкой используются лазеры коротковолнового и длинноволнового излучения, вызывающие в опаловой матрице одновременно с иризацией видимую стоксовую и антистоксовую люминесценцию люминофоров одновременно.

5. Устройство для формирования цветного изображения на плоскости по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что используется опаловая матрица, содержащая в себе люминофор, а одновременно с подсветкой и возбуждающим люминесценцию лазерным излучением используется модуляция подсветки и (или) лазерного излучения, вызывающего люминесценцию из опаловой матрицы, с интенсивностью излучения, зависящей от звукоряда звуков, например, музыкального произведения во время концерта, транслируемого для пользователя одновременно с изображением.