Матричный ослабитель потока оптического излучения

Полезная модель относится к оптическим наблюдательным устройствам с матричными ослабителями света, многократно ослабляющими поток оптического излучения в дискретных областях, и может быть использовано для обеспечения управления транспортными средствами (автомобилями, летательными аппаратами, судами и др.) ночью и в сумерках в условиях мощных точечных оптических помех (фар встречных транспортных средств, огней уличного освещения и др.) при использовании водителями или пилотами современной техники ночного видения на основе высокочувствительных матриц ПЗС (приборов с зарядовой связью) или электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
Известно техническое решение, направленное на локальное ослабление потока оптического излучения, включающее формирование потока оптического излучения, локальное изменение фазы потока оптического излучения за счет электрооптического эффекта, преобразование локального изменения фазы в соответствующее изменение интенсивности потока оптического излучения, перенос оптического излучения в плоскость фоточувствительного слоя с последующим преобразованием оптического излучения в электрический сигнал [Достижения в технике преобразования и воспроизведения изображений. Том. 1. Под ред. Кейзана. М.: Мир, 1978. - 500]. Для локального изменения фазы падающего оптического излучения используются электрооптические среды с малыми полуволновыми напряжениями. Наиболее низкими значениями его характеризуются жидкие кристаллы [Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. - 384].
Недостатками данного технического решения являются значительные потери оптического излучения в локальном ослабителе, слабое подавление мощной точечной фоновой засветки в плоскости фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства и значительная инерционность ослабляющей жидкокристаллической среды, которые в свою очередь приводят к значительному уменьшению дальности действия современной техники ночного видения, отсутствию возможности управления транспортными средствами в условиях пониженного уровня естественной ночной освещенности и резкому ограничению скорости движения транспортного средства.
Два основных фактора ограничивают применение данного технического решения.
1. Преобразование изменения фазы оптического излучения в соответствующее изменение интенсивности потока с помощью скрещенных поляризаторов приводит к снижению интенсивности падающего на жидкокристаллический локальный ослабитель потока оптического излучения на 65-70% [Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. - 384].
2. Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой текучую вязкоупругую диэлектрическую среду. Локальное изменение фазы проходящего оптического излучения осуществляется за счет изменения двулучепреломления слоя ЖК, а физически обусловлено поворотом (переориентации) самих молекул ЖК, т.е. упругой механической деформацией слоя. Механический, по сути, характер переориентации молекул ЖК ограничивает динамический диапазон ослабления оптического излучения и быстродействие электрооптического отклика слоя ЖК и возвращение молекул ЖК в исходное состояние. Для различных типов ЖК динамический диапазон варьируется в пределах от 1:50 до 1:200, а быстродействие - от долей миллисекунд до секунд при полуволновых напряжениях от десятков до долей вольта [Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. - 384].
В результате при локальном ослаблении потока оптического излучения фоновая засветка фоточувствительной поверхности, создаваемая достаточно большим остаточным потоком оптического излучения от мощных точечных источников света, приводит к образованию «ореолов» вокруг их изображений (фиг. 1) [Приборы с зарядовой связью. Секен и Томпсетт. Москва, Мир, 1975, 600 с, Digital sensors fusion. Marion H. Van Fosson. International Night vision conference materials. October, 2004]. Наличие «ореолов», в свою очередь, приводит к снижению контраста изображения наблюдаемого пространства, потере информации от участков с низким уровнем освещенности и, как следствие, наблюдается резкое уменьшение дальности обнаружения и распознавания объектов на фоне мощных точечных источников света.
Известно также техническое решение локального ослабления потока оптического излучения, включающее формирование потока оптического излучения, перенос потока оптического излучения в плоскость промежуточного изображения, локальное изменение интенсивности потока оптического излучения за счет фотохромного эффекта, перенос потока оптического излучения в плоскость фоточувствительного слоя, преобразовании оптического излучения в электрический сигнал [Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы, М.: Машиностроение, 1966. - 258].
Для локального изменения интенсивности оптического излучения используются фотохромные среды. Ослабление света фотохромными средами физически обусловлено свойством обратимого локального изменения их коэффициента пропускания под воздействием ультрафиолетового или коротковолнового видимого излучения. Фоточувствительность фотохромных сред физически обусловлена фотохимическими процессами в стекле с образованием микрокристаллических образований, вызывающих поглощение оптического излучения.
Недостатками данного технического решения являются селективность по спектру пропускания, низкие быстродействие и динамический диапазон ослабления потока оптического излучения фотохромными средами, а также необходимость высокого уровня падающего на фотохромную среду оптического излучения, что практически невозможно обеспечить при использовании устройства при низких уровнях освещенностях на местности, где присутствует в основном видимое и ближнее инфракрасное излучение. Для различных типов фотохромных сред их быстродействие варьируется в пределах от нескольких секунд до минут, а динамический диапазон ослабления потока оптического излучения не превышает 1:40 [там же, Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы, М.: Машиностроение, 1966. - 258].
Из патентной литературы также известны средства для ослабления потока оптического излучения.
Известен поляризационный антиослепитель для транспортных средств, содержащий по крайней мере два поляризационных фильтра, один из которых установлен перед приемником излучения, а второй перед источником неполяризованного излучения подсвета, и устройство управления поляризационным фильтром принимаемого излучения, отличающийся тем, что поляризационный фильтр перед приемником излучения выполнен убирающимся в виде подвижного козырька с расширенной областью подавления слепящей, кроссполяризационной составляющей и состоит по крайней мере из двух последовательно установленных поляризаторов, сдвинутых на угол Q относительно плоскости максимального подавления, где Q - угол поперечного крена транспортного средства, и просветляющего покрытия, кроме того, на боковых зеркалах, зеркале заднего вида или заднем стекле также введены поляризационные фильтры с расширенной областью подавления слепящей кроссполяризационной составляющей с просветляющим покрытием на зеркалах, а источник поляризованного излучения подсвета состоит из последовательно установленных источника неполяризованного излучения, отражателя, фильтра-делителя поляризационных составляющих, отражателя поляризованного излучения, вращателя плоскости поляризации, выходного поляризационного фильтра и рассеивателя. Устройство управления поляризационным фильтром принимаемого излучения содержит датчик угловой информации об угловом положении плоскости поляризации слепящего излучения, преобразователь угловой информации и угловой дискриминатор, соединенный с приводом фильтра подвижного козырька, при этом введенное устройство управления соединено с бортовой сетью транспортного средства, а его выход - с приводом фильтра подвижного козырька, который может быть как электрическим, так и электромеханическим (RU 2124161, МПК F21V 9/14, F21M 3/02, 1998 г.).
Известно устройство для защиты глаз от действия яркого света, содержащее полуволновую жидкокристаллическую матрицу, два поляризатора, один из которых расположен с возможностью фокусировки посредством линзы поляризованного им света на указанной матрице, а другой расположен с возможностью поглощения или пропускания света, прошедшего через ячейки указанной матрицы, и управляющее устройство, включающее матрицу светочувствительных элементов, обеспечивающих подачу сигнала от светочувствительных элементов при попадании на них света на соответствующие им ячейки полуволновой жидкокристаллической матрицы. Управляющее устройство дополнительно включает светофильтр и линзу, установленные с возможностью фокусировки линзой света, ослабленного светофильтром, на матрице светочувствительных элементов (RU 2154851, МПК G02C 7/10, B60R 1/00, B60J 3/00, 2000).
Известно устройство для защиты глаз от светового излучения автотранспорта, на фарах которого установлены поляризаторы, содержащее экран, предназначенный для размещения перед глазами водителя, отличающееся тем, что указанный экран, приводящийся в действие устройством, реагирующим на источники поляризованного света, состоит из двух стеклянных подложек с нанесенными на них прозрачными электродами и смесью жидкий кристалл - красители между ними, а устройство, реагирующее на источники поляризованного света, состоит из двух матриц светочувствительных элементов и двух поляризаторов, обеспечивающих при попадании на них поляризованного света возможность получения разных изображений на соответствующих указанных матрицах и прекращения подачи напряжения от последних на электроды экрана (RU 2164703, МПК G02C 7/10, B60R 1/00, B60J 3/00, 2001).
В устройстве, реализующем техническое решение по патенту RU 2181213 (МПК G02C 7/10, A61F 9/00, B60J 3/06, 2002), прерывают и рассеивают оптическое излучение поочередно каждым элементом матричного оптического затвора за счет уменьшения его светопропускания и пропускают к глазам оптическое излучение через остальные элементы матричного оптического затвора, фокусируют на чувствительную поверхность приемника оптического излучения зеркальную составляющую отраженного от глаз оптического излучения и преобразуют ее в электрический сигнал, усиливают электрический сигнал и сравнивают его с пороговым уровнем, при превышении электрическим сигналом порогового уровня выбирают элементы матричного оптического затвора, пропустившие к глазам оптическое излучение от источника ослепления, уменьшают светопропускание выбранных элементов матричного оптического затвора, прерывают и рассеивают оптическое излучение от источника ослепления выбранными элементами матричного оптического затвора и пропускают к глазам оптическое излучение через остальные элементы матричного оптического затвора без уменьшения их светопропускания. В качестве матричного оптического затвора используют матричный жидкокристаллический экран. При работе устройства, по утверждению авторов, в момент возникновении в поле обзора защищаемого глаза 23 источника 1 ослепления оптическое излучение последнего через засвеченный источником 1 ослепления элемент 3 матричного оптического затвора 2 поступает на защищаемый глаз 23 и, отразившись от него, фокусируется фокусирующей оптической системой 4 на чувствительную поверхность приемника 5 оптического излучения, преобразующего его в электрический сигнал.
Очевидно, что недостатком этого технического решения, как указывалось ранее, является то, что при локальном ослаблении потока оптического излучения фоновая засветка фоточувствительной поверхности, создаваемая достаточно большим остаточным потоком оптического излучения от мощных точечных источников света, приводит к образованию «ореолов» вокруг их изображений (фиг. 1). Наличие «ореолов», в свою очередь, приводит к снижению контраста изображения наблюдаемого пространства, потере информации от участков с низким уровнем освещенности и, как следствие, наблюдается резкое уменьшение дальности обнаружения и распознавания объектов на фоне мощных точечных источников света.
-4
2
Предложенная полезная модель направлена на решение технической задачи локального неселективного мощного ослабления потока оптического излучения в реальном времени от мощной точечной фоновой засветки в плоскости фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства, а также до регистрации уменьшение динамического диапазона освещенности фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства без потерь полезной информации в изображении, что в свою очередь приводит к возможности регистрации и отображения на экране монитора изображений, соответствующих широкому диапазону естественной освещенности на местности (от 10 лк до 10 лк), а также к значительному увеличению дальности действия современной техники ночного видения, обеспечению возможности управления транспортными средствами в условиях пониженного уровня естественной ночной освещенности в условиях воздействия мощных точечных оптических помех.
Техническим результатом, получаемым в результате использования полезной модели, является исключение фоновой засветки фоточувствительной поверхности за счет мощного локального ослабления потока оптического излучения от точечных высокоинтенсивных источников света.
Технический результат достигается тем, что в матричный ослабитель потока оптического излучения, содержащий размещенные в корпусе по направлению хода оптического луча входной объектив, матричный оптический затвор, фокусирующую оптическую систему и приемник оптического излучения с фоточувствительной областью преобразователя изображения, связанный через электронную схему управления с матричным оптическим затвором, введен призменный блок, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения, установленной между входным объективом и матричным оптическим затвором перед фокусирующей оптической системой приемника оптического излучения, и компенсационной призмы, установленной на гипотенузную грань призмы полного внутреннего отражения для образования вместе с ней плоскопараллельной пластины, матричный оптический затвор выполнен в виде цифрового микрозеркального устройства с элементом матрицы в виде микрозеркала и числом элементов матрицы, соответствующим количеству элементов матрицы фоточувствительной области преобразователя изображения приемника оптического излучения, а электронная схема управления выполнена в виде видеопроцессора для обеспечения поворота микрозеркал матрицы цифрового микрозеркального устройства в диапазоне ±10°.
A
Кроме того, фокусирующая оптическая система выполнена в виде проекционного объектива, передний апертурный угол которого составляет 2σ=40°
-4
2
Полезная модель позволяет в реальном времени локально значительно ослабить поток оптического излучения от мощной точечной фоновой засветки в плоскости фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства, сформировать «безореольное» изображение от высокоинтенсивных точечных источников света без фоновой засветки фоточувствительной поверхности в области действия данных источников света, а также до регистрации уменьшить динамический диапазон освещенности фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства без потерь полезной информации в изображении, что в свою очередь приведет к возможности регистрации и отображения на экране монитора изображений, соответствующих широкому диапазону естественной освещенности на местности от 10 лк до 10 лк), а также к обеспечению 100% дальности действия современной техники ночного видения, на основе высокочувствительных ПЗС матриц или ЭОП и обеспечит возможность управления транспортными средствами (автомобилями, летательными аппаратами, судами и др.) ночью и в сумерках в условиях высокоинтенсивных точечных оптических помех (фар встречных транспортных средств, огней уличного освещения и др.).
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами, где:
на фиг. 1 приведено изображение, формируемое низкоуровневой телевизионной камерой на основе ЭОП III поколения, при наблюдении объектов на фоне мощных точечных источников света;
на фиг. 2 приведена оптическая схема устройства, реализующего предложенную полезную модель;
на фиг. 3 приведена схема, поясняющая принцип действия цифрового микрозеркального устройства;
на фиг. 4 приведено изображение, формируемое низкоуровневой телевизионной камерой на основе ЭОП III поколения с устройством локального ослабления потока оптического излучения от мощных точечных источников света;
на фиг. 5 приведено изображение, формируемое низкоуровневой телевизионной камерой на основе ЭОП III поколения, когда матричный ослабитель света выключен (полностью прозрачен);
на фиг. 6 приведено изображение, формируемое низкоуровневой телевизионной камерой на основе ЭОП III поколения, когда матричный ослабитель света включен (в каждом пикселе установлена определенная степень ослабления от 1 до 256 раз).
A
Устройство содержит размещенные в корпусе 1 по направлению хода оптического луча входной объектив 2, матричный оптический затвор 3, фокусирующую оптическую систему 4 и приемник оптического излучения 5 с фоточувствительной областью 6 преобразователя изображения, связанный через электронную схему управления 7 с матричным оптическим затвором 3. В устройство введен призменный блок 8, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения 9, установленной между входным объективом 2 и матричным оптическим затвором 3 перед фокусирующей оптической системой 4 приемника оптического излучения 5, и компенсационной призмы 10, установленной на гипотенузную грань призмы полного внутреннего отражения 9 для образования вместе с ней плоскопараллельной пластины, матричный оптический затвор 3 выполнен в виде цифрового микрозеркального устройства с элементом матрицы в виде микрозеркала 11 и числом элементов матрицы, соответствующим количеству элементов матрицы фоточувствительной области 6 преобразователя изображения приемника оптического излучения 5, а электронная схема управления выполнена в виде видеопроцессора 7 для обеспечения поворота микрозеркал 11 матрицы цифрового микрозеркального устройства в диапазоне ±10° Фокусирующая оптическая система 4 выполнена в виде проекционного объектива, передний апертурный угол которого составляет 2σ-40°
Устройство, реализующее предлагаемую полезную модель, работает следующим образом.
1. Формирование первого - управляющего сигнала в момент появления в угловом поле приемника оптического излучения 5 мощных точечных источников света. Изображение объектов на фоне мощных точечных источников света проецируется входным объективом через призменный блок в виде призмы полного внутреннего отражения 9 и компенсационной призмы 10 на цифровое микрозеркальное устройство 3, расположенное в плоскости промежуточного изображения. После отражения потока оптического излучения от цифрового микрозеркального устройства 3 проекционный объектив 4 проецирует изображение на фоточувствительную поверхность 6 приемника оптического излучения 5, созданного на основе ПЗС матрицы или ЭОП. Видеосигнал с приемника оптического излучения 5 поступает на вход видеопроцессора 7, который определяет координаты и размер изображения мощного точечного источника света и формирует управляющий сигнал для цифрового микрозеркального устройства 3. Микрозеркало 11 в зависимости от величины управляющего сигнала, поступающего с видеопроцессора 7, отклоняется на угол 10°. Для данного устройства используется такой проекционный объектив 4, чтобы локальный поток оптического излучения (например, луч 12), отраженный от микрозеркал, повернутых на угол 10°, не попадал в его входную апертуру и, следовательно, не попадал на фоточувствительную поверхность 6 приемника оптического излучения 5 (фиг. 3). На остальные элементы микрозеркального устройства 3 поступают управляющие сигналы с видеопроцессора 7, обеспечивающие формирование изображения в плоскости фоточувствительной поверхности 6 фотоприемного устройств. Поток оптического излучения, отразившись от этих микрозеркал, будет находиться в пределах входной апертуры проекционного объектива 4, который и сформирует изображение на фоточувствительной поверхности 6 приемника оптического излучения 5. Таким образом обеспечивается мощное локальное ослабление потока оптического излучения от высокоинтенсивных точечных источников света за счет отклонения части потока оптического излучения за пределы входной апертуры проекционного объектива.
2. Формирование второго - информационного сигнала с локальным ослаблением потока оптического излучения от мощных точечных источников света. Изображение объектов на фоне мощных точечных источников света проецируется входным объективом 2 через призменный блок в виде призмы полного внутреннего отражения 9 и компенсационной призмы 10 на цифровое микрозеркальное устройство 3, расположенное в плоскости промежуточного изображения. Микрозеркала 11, находящиеся под воздействием управляющего сигнала, указанного выше, в областях изображения мощных точечных источников света будут повернуты на угол 10°. После отражения потока оптического излучения от цифрового микрозеркального устройства 3 проекционный объектив 4 проецирует изображение на фоточувствительную поверхность 6 приемника оптического излучения 5. Часть потока оптического излучения, отраженная от микрозеркал, повернутых на угол 10°, не попадает во входную апертуру проекционного объектива 4 и, следовательно, не попадает на фоточувствительную поверхность 6 приемника оптического излучения 5. На остальные элементы микрозеркального устройства 3 поступают управляющие сигналы с видеопроцессора 7, обеспечивающие формирование изображения в плоскости фоточувствительной поверхности 6 приемника оптического излучения 5. Таким образом, информационная часть потока оптического излучения, отразившись от этих микрозеркал, будет находиться в пределах входной апертуры проекционного объектива 4, который и сформирует «безореольное» изображение на фоточувствительной поверхности 6 приемника оптического излучения 5 за счет локального подавления потока оптического излучения от мощных источников света.
Пример реализации заявленной полезной модели.
Устройство локального ослабления потока оптического излучения, схема которого приведена на фиг. 2, создано на основе цифрового микрозеркального устройства с числом элементов 800×600 и размером микрозеркала 15 х 15 мкм, что соответствует количеству фоточувствительных элементов стандартных ПЗС матриц, используемых в телевизионных ПЗС камерах или низкоуровневых телевизионных камерах с чувствительной структурой «ЭОП III поколения - ПЗС матрица».
Цифровое микрозеркальное устройство 3 характеризуется высоким быстродействием. Время формирования геометрического микрорельефа для локального ослабления потока оптического излучения путем поворота микрозеркала на угол 10° составляет 2 мкс, что позволяет в предложенном устройстве при формировании «безореольных» изображений за время формирования кадра (40 мс) локально ослаблять в 5000 раз поток оптического излучения от высокоинтенсивных точечных источников света.
A
В предложенном устройстве матрица микрозеркал отображается с помощью проекционного объектива на фоточувствительную поверхность ПЗС матрицы пли фотокатод ЭОП III поколения так, что только часть оптического потока, отраженная от неразвернутых на 10° микрозеркал, попадает во входной зрачок данного проекционного объектива. Оставшаяся часть потока оптического излучения, отраженная от развернутых на 10° микрозеркал, не попадает во входной зрачок проекционного объектива. Для обеспечения данного условия используется проекционный объектив, передний апертурный угол которого составляет 2σ-40°.
Для устранения неоднородности в сформированном изображении, обусловленной прохождением потока оптического излучения через призму полного внутреннего отражения, установленную между входным объективом и цифровым микрозеркальным устройством, на гипотенузную грань призмы полного внутреннего отражения дополнительно устанавливается компенсационная призма, которая вместе с призмой полного внутреннего отражения образует плоскопараллельную пластину. Для обеспечения высокого качества изображения аберрационная коррекция входного объектива проводилась из условия расположения между объективом и цифровым микрозеркальным устройством данной плоскопараллельной пластины.
На фиг. 4. приведено изображение, формируемое низкоуровневой телевизионной камерой на основе ЭОП Ш поколения с устройством локального ослабления потока оптического излучения от мощных точечных источников света.
На фиг. 5 приведен пример изображения в случае, когда матричный ослабитель света выключен (полностью прозрачен). Пешеход практически не виден из-за широко «расплывшейся» световой засветки от фар. Примерно в 40% пикселей - фоточувствительных элементов стандартных ПЗС матриц - информация потеряна из-за мощной засветки (пересветки).
На фиг. 6 приведен пример изображения в случае, когда матричный ослабитель света включен (в каждом пикселе установлена определенная степень ослабления от 1 до 256 раз). Информация потеряна примерно в 15% пикселей из-за более сильного, чем это необходимо, ослабления (черные ореолы вокруг фар). Тем не менее, работа матричного ослабителя улучшает для водителя видимость на дороге (увеличивает площадь непересвеченной части изображения), а также выравнивает динамический (световой) диапазон изображения, делая доступным наблюдение слабоосвещенных объектов на дороге и по ее обочинам, что повышает безопасность вождения транспортного средства, оснащенного предлагаемым водительским прибором, и надежность управления транспортным средством вне зависимости от мастерства и опытности водителя.
Таким образом, техническим результатом, получаемым в результате использования полезной модели, является исключение фоновой засветки фоточувствительной поверхности за счет мощного локального ослабления потока оптического излучения от точечных высокоинтенсивных источников света.