волоконно-оптический преобразователь изображений
Классы МПК: | G02B6/04 выполненные из жгутов волокон |
Автор(ы): | Бурцев Валерий Николаевич (UA), Бурцев Владимир Николаевич (UA) |
Патентообладатель(и): | Бурцев Валерий Николаевич (UA), Бурцев Владимир Николаевич (UA) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-05-28 публикация патента:
10.01.1999 |
Волоконно-оптический преобразователь используется в оптических проекционных системах. Преобразователь состоит из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов, входные торцы которых оптически связаны с оптической системой источника света и со средством изменения спектрального состава излучения, а выходные - с линзовой системой проецирования изображений. Светопроводящие элементы выполнены в виде светопроводящих жгутов, деформированные поперечные сечения которых на входе и выходе объединены в компактные множества. Коэффициент нерегулярности и укладки светопроводящих волокон в каждом жгуте выбран из определенного соотношения. Преобразователь может быть размещен внутрь жесткого корпуса и посредством кинематической связи перемещаться по одной или двум координатам. Площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника света. Расширена область использования, получены новые цветооптические эффекты. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
1. Волоконно-оптический преобразователь изображений, состоящий из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов, входные торцы которых оптически связаны с оптической системой источника света и со средством изменения спектрального состава излучения, а выходные - с линзовой системой проецирования изображений, отличающийся тем, что светопроводящие элементы выполнены в виде светопроводящих жгутов, деформированные поперечные сечения которых на входе и выходе объединены в компактные множества, при этом коэффициент нерегулярности K укладки светопроводящих волокон в каждом жгуте выбран из соотношения0,3
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
где
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-6t.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-7t.gif)
{S} - общее число светопроводящих волокон в жгуте. 2. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что светопроводящие жгуты размещены внутри жесткого корпуса, снабженного кинематической связью с механизмом перемещения по одной или двум координатам. 3. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам оптического приборостроения, преимущественно к волоконно-оптическим системам трансформации и передачи изображений. Использование волоконно-оптических преобразователей, в дальнейшем ВОП, существенно расширяет области использования оптических проекционных систем. Известны волоконно-оптические элементы, предназначенные для передачи информации, которые называются "светопроводы с регулярной укладкой световолокон" [1] . Благодаря регулярности /порядку/ укладки изображение передается с одного торца светопровода на другой без искажения, т.е. указанные элементы не осуществляют преобразований изображений. В качестве аналогов могут быть приняты к рассмотрению такие оптико-волоконные системы, как "поворотники изображений", "корректоры дисторсии или кривизны поля" [2-4] . Конструкция этих элементов также не предусматривает никаких преобразований изображений. К аналогам могут быть отнесены волоконно-оптические элементы, которые изменяют масштабность исходного изображения по двум или по одной координатам, например, волоконный анаморфот, являющийся аналогом цилиндрической линзы, сжимают или расширяют исходное изображение по одной координате с масштабностью M > 1/M < 1/. Волоконно-оптические фоконы изменяют масштабность изображений по двум координатам. Указанные аналоги [5-7] также не нарушают структуры исходного изображения, поэтому не могут считаться ВОП. К аналогам с функциями преобразователя изображений могут быть отнесены волоконно-оптические диссекторы изображений [8], сканирующие системы [9], осуществляющие смешение или разделение исходных изображений, их сканирование по схеме "кадр-строка", "круг-кольцо", "кольцо-строка". Волоконно-оптические кодирующие-декодирующие системы [10, 11] исходное изображение на выходе преобразуют в "хаотический набор световых импульсов", который не имеет ничего общего с исходной информацией. Все приведенные волоконные системы объединяет единый признак - "нарушение регулярности /порядка/ укладки элементарных световодов в светопроводящем жгуте". Для каждого типа элементов присуща своя закономерность нерегулярности, благодаря которой и осуществляется преобразование изображений. Прототипом волоконно-оптического преобразователя изображений является оптический элемент, используемый в конструкции проекционного устройства формирования изображений [12]. Этот элемент выполнен из набора светопроводящих волокон с нерегулярной укладкой. В оптической схеме проектора указанный преобразователь или трансформатор изображений установлен между проекционным объективом с одной стороны и подвижной цветовой матрице, освещаемой источником света, с другой. В виду нерегулярной укладки световодов исходное изображение преобразуется и формируется на выходном торце в виде цветодинамических изображений. При движении цветовой матрицы и при перемещении самого ВОП происходит "комбинаторное преобразование формы и траектории перемещения исходных изображений". Волоконные преобразователи с нерегулярной укладкой волокон в дальнейшем будем называть "волоконно-оптические преобразователи комбинаторного типа". ВОП комбинаторного типа, используемый в проекторах, имеет ряд недостатков, которые ограничивают области использования и не дают возможность получить новые цветооптические эффекты, например при увеличении диаметра или площади поперечного сечения самого преобразователя. Эти ограничения связаны в первую очередь с ограничениями, которые диктуются законами физической оптики. Для иллюстрации введем коэффициент нерегулярности укладки, который определяется соотношением![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-2t.gif)
где
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-3t.gif)
{S} - общее число светопроводящих элементов в ВОП. При K = 0 исходные изображения с входного торца на выходной передаются без искажений, т. е. имеем "нуль преобразование". При увеличении K --> 1 нарушается порядок укладки светопроводов вплоть до хаоса, т.е. полная трансформация формы и траектории движения исходного изображения. Известно [1] , что с помощью оптических волокон изображение передается в виде мозаики разноокрашенных точек. При K = 1 эти точки в матрице выхода {S*ij} распределены случайным образом. Согласно закону аддитивного сложения цветов указанный матричный набор хаотически расположенных разноокрашенных точек "порождает аддитивно белый цвет". Т.о., на коэффициент нерегулярности ВОП комбинаторного типа необходимо ввести оптимальные ограничения, имея при этом в виду, что коэффициент K должен быть максимальным, чтобы получить на выходе цветодинамические изображения с непредсказуемыми изменениями формы и траектории и минимальным, чтобы не потерять цветовую гамму исходного изображения. В результате длительных испытаний и апробаций ВОП комбинаторного типа получены эмпирические значения коэффициента нерегулярности K в пределах 0,3
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
- преобразователь выполнен из набора светопроводящих жгутов, каждый из которых в свою очеред, сформирован из набора нерегулярно уложенных светопроводящих элементов;
- жгуты уложены в преобразователе нерегулярно;
- на входе и выходе преобразователя светопроводящие жгуты в силу независимости светопроводящих элементов сдеформированы в поперечном направлении, образуя компактное объединение множества сечений, ограниченных площадями входного и выходного торцев. Последний из приведенных признаков обозначает, что между сопряженными сечениями на входе-выходе каждого светопроводящего жгута существуют топологические подобия. Благодаря принципу "топологических подобий" ВОП получает к уже известному комбинаторному преобразованию свою дополнительную функцию Т. о. , объединение принципов комбинаторного и топологического преобразований исходных изображений позволяют реализовать ВОП "комбинаторно-топологического типа". Для этих преобразователей имеются два уровня нерегулярности расположения светопроводящих элементов:
- первый уровень - коэффициент нерегулярности элементарных светопроводов подчиняется неравенствам 0,3
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
- второй уровень - коэффициент нерегулярности светопроводящих жгутов 0
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
0,3
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124057/8773.gif)
где
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-4t.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124747/2124747-5t.gif)
{S} - общее число светопроводящих волокон в жгуте. Светопроводящие жгуты могут быть размещены внутри жесткого корпуса, снабженного кинематической связью с механизмом перемещения по одной или двум координатам. Площадь входного торца преобразователя выбрана не превышающей площади изображения полевой диафрагмы оптической системы источника. Принцип работы волоконно-оптического преобразователя комбинаторно-топологического типа, а также различные варианты конструктивного исполнения их представлены на фиг. 1 - 7:
фиг.1 - иллюстрация принципа комбинаторно-топологического преобразования первичных изображений;
фиг.2 - вариант исполнения ВОП в бескорпусном виде;
фиг. 3 - вариант ВОП с тремя оптическими каналами /по типу волоконного диссектора/;
фиг.4 - ВОП, размещенные в корпусах;
фиг.5 - ВОП с коаксиальным размещением светопроводящих жгутов;
фиг.6 - вариант ВОП в виде цилиндрической шайбы;
фиг.7 - принципиальные оптико-механические схемы проекторов с различными ВОП. Графическая иллюстрация комбинаторно-топологических преобразований /фиг. 1/ приведена для ВОП прямоугольной формы, который для удобства изложения выполнен в виде девяти прямоугольных по сечению жгутов. Их компактные объединения образуют входной 2 и выходной 3 торцы. На входном торце 2 все девять сечений жгутов расположены упорядоченно, образуя матрицу размером {3 x 3}. Выходной торец 3 имеет такой же прямоугольный контур, но все девять выходных торцев сдеформированы и образуют самостоятельную матрицу, как показано на фиг. 1-А. Т.к. использована комбинаторная нерегулярность, то координаты входов светопроводящих элементов отличны от их координат выхода. Исходное изображение 4 полностью заполняет любой из прямоугольных элементов (2,1) _
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124022/8594.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124022/8594.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124022/8594.gif)
![волоконно-оптический преобразователь изображений, патент № 2124747](/images/patents/347/2124022/8594.gif)
1. Н. Капани. "Волоконная оптика", "МИР", М. 1969, с.104 дополнительно: В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", "Машиностроение", М. с. 15; с. 291. 2. Н.Капани. "Волоконная оптика," с. 347. 3. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 262. 4. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 128. 5. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 5. 6. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 25. 7. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 269. 8. Н. Капани. "Волоконная оптика", с. 287 дополнительно: В.Б.Вейнберг . "Оптика световодов", с. 19. 9. Н.Капани. "Волоконная оптика", с. 350 дополнительно: В.Б.Вейнберг, Д. К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 19. 10. В.Б.Вейнберг, Д.К.Саттаров. "Оптика световодов", с. 26. 11. Н.Капани. "Оптика волоконная", с. 353. 12. Патент России N 1320585, МКИ F 21 P 3/00, опубл. 11.04.96 дополнительно: Авторское свидетельство N 1440521, A 61 B, A 63 17/00 опубл. 30.11.88.
Класс G02B6/04 выполненные из жгутов волокон