НАБЛЮДАТЕЛЬНО-РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ЛОКАЛЬНО-АДАПТИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТОЙ
MONITORING AND RECORDING DEVICE WITH LOCALLY-ADAPTIVE OPTICAL PROTECTION

Область техники
Изобретение относится к устройствам наблюдения реальных сцен с защитой оптического сенсора прибора и/или зрения наблюдателя от излишне яркого света, точнее к наблюдательно-регистрирующим устройствам с локально-адаптивными светозащитными фильтрами для ослабления мешающего света от интенсивных оптических источников с сохранением нормального зрительного восприятия остальных объектов наблюдаемой сцены, и может быть использовано для создания различных наблюдательно-регистрирующих устройств для зрения, а также для фото-, видеокамер, работающих в условиях яркого солнечного освещения, в том числе при прямом падении солнечного света на вход устройства и прямой видимости солнечного диска в наблюдаемой сцене.
Уровень техники
Известно наблюдательное устройство с интегрально-адаптивной оптической защитой [1], содержащее полутоновой пространственный модулятор света с однородным оптическим пропусканием по всей апертуре и оптический сенсор, вход которого оптически связан с частью апертуры пространственного модулятора света, а также процессорный модуль, вход которого подключен к электронному выходу оптического сенсора, выход процессорного модуля подключен к электронному входу полутонового пространственного модулятора света, оптический вход которого является входом устройства, связанным с внешним пространственно-неоднородным источником света, а выходом устройства является оптический выход полутонового пространственного модулятора света.
Данное известное устройство обеспечивает оптическую защиту зрения (глаз) наблюдателя при восприятии внешнего пространственно-неоднородного источника света (пространственного распределения яркости света по объектам наблюдаемой сцены) сквозь апертуру полутонового пространственного модулятора света. Недостатком известного устройства является невозможность одновременно обеспечить эффективную защиту зрения от локальных областей излишне яркого света в наблюдаемой сцене и сохранить четкое зрительное восприятие остальных объектов наблюдаемой сцены, имеющих малую и среднюю яркость. Действительно, реализация такого низкого оптического пропускания по всей апертуре пространственного модулятора света, который соответствует достаточному подавлению мешающего света от наиболее яркого локального источника (например, от света солнечного диска), приводит к плохой различимости всех объектов сцены с малой и средней яркостью при их наблюдении сквозь апертуру с таким низким оптическим пропусканием.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является наблюдательно-регистрирующее устройство с локально-адаптивной оптической защитой [2], содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси бинарный пространственный модулятор света (БПМС) с числом MN оптических затворных элементов (каждый с двумя значениями оптического пропускания) и оптический сенсор с единственным светочувствительным элементом, где M и N - число строк и столбцов адресной матрицы БПМС, а также процессорный модуль и полутоновой пространственный модулятор света (ППМС) с числом MN светомодулирующих элементов (каждый с «серой шкалой» оптического пропускания), оптический вход которого связан с внешним пространственно-распределенным источником света, при этом электронный вход ППМС подключен к управляющему выходу процессорного модуля, вход которого подключен к электронному выходу оптического сенсора, а сканирующий выход процессорного модуля подключен к электронному входу БПМС, причем в апертуре светочувствительного элемента оптического сенсора пересекаются MN первых парциальных оптических осей, проходящих через соответствующие MN оптических затворных элементов БПМС, а оптический выход ППМС является выходом устройства для нормированного по яркости изображения внешнего пространственно-распределенного источника света, при этом в точке наблюдения выхода устройства пересекаются MN вторых парциальных оптических осей, проходящих через MN светомодулирующих элементов ППМС.
В известном устройстве в начале цикла адаптации за счет поочередного открытия (перевода в состояние с максимальным оптическим пропусканием) MN оптических затворных элементов БПМС (вследствие подачи на его электронный вход сигнала с сканирующего выхода процессорного модуля) световые потоки от соответствующих MN локальных областей внешнего пространственно-распределенного источника света последовательно попадают на единственный светочувствительный элемент оптического сенсора. В результате на его электронном выходе формируется временная поэлементная развертка изображения внешнего пространственно-распределенного источника света, которая поступает на вход процессорного модуля, на управляющем выходе которого формируется сигнал управления оптическим пропусканием ППМС. В апертуре ППМС реализуется пространственное распределение оптического пропускания, которое обеспечивает подавление излишне яркого света в нормированном изображении внешнего пространственно-распределенного источника света, формирующемся на сетчатке глаза наблюдателя, находящегося в точке наблюдения выхода устройства и воспринимающего сквозь апертуру ППМС световой поток от внешнего пространственно-распределенного источника света. Нормирование яркости обеспечивается тем, что наиболее яркие локальные области последнего (соответствующие мешающему свету) просматриваются сквозь наиболее темные локальные области апертуры дополнительного пространственного модулятора света, что обеспечивает локальную оптическую защиту зрения в конце цикла адаптации.
5
6
Первым недостатком известного устройства является ограниченность динамического диапазона оптического сенсора по сравнению с динамическим диапазоном изменения яркости света в сценах реального мира, которое достигает яркости 10÷10 люкс при прямом солнечном освещении объектов реальных сцен и при прямом наблюдении солнечного диска, что намного превосходит верхний предел динамического диапазона стандартных оптических сенсоров. Поскольку на оптический сенсор здесь напрямую (без ослабления) попадает свет от каждой локальной области внешнего пространственно-распределенного источника света, то динамический диапазон известного устройства не превосходит динамического диапазона оптического сенсора.
Второй недостаток известного устройства состоит в недостаточно точной локальной адаптации. Точное подавление мешающего света от различных локальных областей внешнего пространственно-распределенного источника света действием соответствующих локальных областей оптического затухания (оптической плотности) в апертуре ППМС проблематично в том случае, когда пространственно-распределенный источник света перемещается в физическом пространстве вдоль поперечных (относительно оптической оси устройства) координат. Действительно, MN первых парциальных оптических осей (составляющих угловое поле зрения оптического сенсора) не совпадает по среднему углу наблюдения с MN вторыми парциальными оптическими осями (составляющие угловое поле зрения наблюдателя). При поперечном перемещении наблюдаемого оптического источника мешающего света эта разница в средних углах наблюдения в общем случае приводит к появлению пространственного рассогласования (зависящего от конкретного расположения источников мешающего света) между положением пространственного распределения оптического затухания в апертуре ППМС и пространственным распределением яркости в внешнем пространственно-распределенном источнике света. В итоге вторым недостатком известного устройства является невысокая точность локальной адаптации оптической защиты при изменяемом поперечном положении источника мешающего света (либо при изменении направления оптической оси устройства за счет его углового перемещения относительно наблюдаемой сцены).
Задачей изобретения является расширение динамического диапазона и улучшение точности локальной адаптации оптической защиты.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача в наблюдательно-регистрирующем устройстве с локально-адаптивной оптической защитой, содержащем последовательно расположенные на одной оптической оси пространственный модулятор света (ПМС) с числом MN светомодулирующих элементов и оптический сенсор, а также процессорный модуль, где M и N - соответственно число строк и число столбцов адресной матрицы ПМС, при этом вход процессорного модуля подключен к выходу оптического сенсора, управляющий выход процессорного модуля подключен к электронному входу ПМС, решается тем, что оптический сенсор выполнен с числом MN групп световоспринимающих элементов, в устройство дополнительно введен отображающий блок, в объектном пространстве которого находится внешний пространственно-распределенный источник света, а в пространстве изображения отображающего блока расположена апертура ПМС и световоспринимающая поверхность оптического сенсора, причем mn-й светомодулирующий элемент ПМС примыкает к mn-й группе световоспринимающих элементов оптического сенсора, где m=1, 2, …, Μ; n=1, 2, …, Ν, при этом процессорный блок выполнен с информационным выходом, который является электронным выходом устройства для сигнала развертки нормированного по яркости изображения внешнего пространственно-распределенного источника света.
Задача расширения динамического диапазона оптической защиты решается за счет достижения первого технического результата, состоящего в компрессии с помощью ПМС динамического диапазона светового потока, попадающего на световоспринимающую поверхность оптического сенсора. Снижение излишней яркости светового потока до нормированного максимального уровня (не превосходящего динамического диапазона оптического сенсора) происходит при прохождении светового потока через соответствующие локальные области ПМС с пониженными значениями оптического пропускания (обратно пропорциональными величинам излишней яркости света в соответствующих локальных областях внешнего пространственно-распределенного источника света).
Задача улучшения точности локальной адаптации оптической защиты при изменяемом поперечном (относительно оси устройства) положении источников мешающего света решается достижением второго технического результата, состоящего в автоматическом совпадении пространственного расположения групп световоспринимающих элементов оптического сенсора с соответствующими локальными областями оптического пропускания в апертуре ПМС. Действительно, в начале цикла адаптации mn-й светомодулирующий элемент ПМС пропускает соответствующий mn-й парциальный световой поток (с излишней яркостью) к соответствующей mn-й группе световоспринимающих элементов оптического сенсора. В процессе цикла адаптации mn-й светомодулирующий элемент ПМС получает от той же mn-й группы светочувствительных элементов оптического сенсора через процессорный модуль сигнал управления. В конце цикла адаптации управляющее напряжение достигает амплитуды, обеспечивающей установление оптического пропускания mn-го светомодулирующего элемента ПМС такой величины, которая снижает яркость mn-го парциального светового потока до нормированной величины (не превосходящей динамического диапазона оптического сенсора). При этом точность локальной адаптации не зависит от поперечного расположения внешнего пространственно-распределенного источника света относительно устройства, поскольку при изменении поперечного расположения внешнего пространственно-распределенного источника света (или при изменении углового положения оптической оси устройства относительно наблюдаемой сцены) геометрия оптической схемы локальной адаптации не нарушается. Перемещение изображение точечного источника мешающего яркого света вдоль на световоспринимающей поверхности оптического сенсора сопровождается синхронным (согласованным) изменением положения светового потока изображения этого источника в апертуре пространственного модулятора света.
В частном варианте устройства оптический сенсор выполнен с светопроницаемой апертурой, оптический выход которой является оптическим выходом устройства для прямого наблюдения зрением изображения внешнего пространственно-распределенного источника света в апертуре оптического сенсора.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется чертежами, на чертежах которых представлены:
Фиг. 1 - общая схема наблюдательно-регистрирующего устройства с локально-адаптивной оптической защитой.
Фиг. 2 - расположение объектного пространства, пространства изображения, главных плоскостей и главных фокусных расстояний отображающего блока.
Фиг. 3 - схема частного варианта устройства с оптическим выходом.
Осуществление изобретения
1
Устройство (фиг. 1) содержит последовательно расположенные на одной оптической оси А-А оптический сенсор 1 с MN группами световоспринимающих элементов, пространственный модулятор света (ПМС) 2 с числом MN светомодулирующих элементов и отображающий блок 3, а также процессорный модуль 4, при этом в объектном пространстве отображающего блока 3 расположен внешний пространственно-распределенный источник 5 света (пространственное распределение яркости в наблюдаемой внешней сцене), в пространстве изображения отображающего блока 3 расположены апертура ПМС 2 и световоспринимающая поверхность оптического сенсора 1, причем mn-й светомодулирующий элемент ПМС 2 примыкает к mn-й группе световоспринимающих элементов оптического сенсора 1, где m=1, 2, …, Μ; n=1, 2, …, Ν. Вход процессорного модуля 4 подключен к электронному выходу оптического сенсора 1, управляющий выход процессорного модуля 4 подключен к электронному входу ПМС 2, а информационный выход 4 процессорного модуля 4 является электронным выходом устройства для сигнала развертки нормированного по яркости изображения внешнего пространственно-распределенного источника 5 света. Электронный выход устройства, например, подключен к входу дисплейного модуля 6 с оптическим выходом 7 его экрана.
1
2
mn
mn
Главные плоскости D, D и главные фокусные расстояния F отображающего блока 3 показаны на фиг. 2 с геометрией хода лучей при построении изображения o точечного объекта O.
1
1
В частном варианте выполнения устройства (фиг. 3) отображающий блок 3 выполнен в виде сферической линзы 3, оптический сенсор 1 выполнен с светопроницаемой апертурой, выход 1 которой является оптическим выходом устройства для нормированного по яркости изображения пространственно-распределенного источника 5 света.
mn
mn
mn
mn
mn
mn
mn
mn
mn
mn
mn
(max)
(init)
(threshold)
(init)
(threshold)
Устройство работает следующим образом. С помощью отображающего блока 3 изображение mn-й локальной области внешнего пространственно-распределенного источника 5 света формируется на mn-й группе световоспринимающих элементов оптического сенсора 1. При этом соответствующий mn-й парциальный световой поток изображения проходит через mn-й светомодулирующий элемент ПМС 2, который в начале цикла адаптации находится в полностью открытом состоянии с величиной T=T  максимального оптического пропускания независимо от начальной величины J  интенсивности света mn-го парциального светового потока. Для определенности (без ограничения общности) принято, что увеличение величины J интенсивности света, падающего на mn-ю группу световоспринимающих элементов оптического сенсора 1, вызывает прямо пропорциональное увеличение электрического напряжения на электронном выходе оптического сенсора 1, соответствующего выходному электронному сигналу от mn-й группы световоспринимающих элементов оптического сенсора 1. При этом увеличение соответствующего управляющего электрического напряжения U на mn-м светомодулирующем элементе ПМС 2 вызывает обратно пропорциональное снижение величины оптического пропускания (прямо пропорциональное увеличение величины оптического затухания χ=1/T) для интенсивности света, проходящего mn-й светомодулирующий элемент ПМС 2. В начале цикла адаптации на mn-ю группу световоспринимающих элементов оптического сенсора 1 падает mn-й парциальный световой поток изображения с тем большей интенсивностью, чем больше яркость mn-го элемента внешнего пространственно-распределенного источника 5 света. Достижение пороговой величины J  для величины J  начальной интенсивности mn-го парциального светового потока, падающего на световоспринимающую поверхность оптического сенсора 1, приводит к получению величины U  управляющего электрического напряжения U на электронном выходе оптического сенсора 1 в соответствии с соотношениями
mn
mn
(threshold)
ПМС 2 выполнен с порогом срабатывания U  для величины управляющего электрического напряжения U, удовлетворяющим соотношению
mn
mn
mn
mn
(threshold)
(max)
в соответствии с которым при управляющем напряжении U, меньшем порогового значения U , величина оптического пропускания T равна максимальной величине T .
mn
mn
mn
mn
mn
mn
min
max
mn
min
mn
mn
(threshold)
(binary)
(threshold)
Для величин управляющего напряжения U, превышающих величину U  порогового напряжения, характер снижения оптического пропускания T ПМС 2 зависит от вида его передаточной характеристики T{U}. При бинарной передаточной характеристике ПМС 2 величина T  имеет только два значения (T и T), поэтому в конце цикла адаптации величина T скачкообразно меняется до минимальной величины T, что соответствует полному ослаблению света с интенсивностью J выше пороговой величины J
mn
(gray)
При полутоновой (с «серой» шкалой) передаточной характеристике ПМС 2 величина T  уменьшается до величины
top
где J - предельное максимальное значение интенсивности света на оптическом сенсоре 1, соответствующее верхнему пределу его динамического диапазона;
f - функция нормировки, задающая характер воспроизведения величины нормированной яркости света в выходном изображении.
1
На экране дисплейного модуля 6 по окончании цикла адаптации воспроизводится нормированное по яркости изображение внешнего пространственно-распределенного источника 5 света, в котором интенсивности света от всех MN локальных областей наблюдаемого изображения приведены к значениям, комфортным для восприятия зрением. Также сигнал нормированного изображения с выхода 4 может быть передан по каналам связи на удаленное запоминающее (регистрирующее) или дисплейное устройство.
Текущее пространственное распределение оптического пропускание в апертуре ПМС 2 заменяется в конце следующего цикла адаптации соответствующим распределением оптической плотности. Могут быть использованы методы математического предсказания динамики изменения распределения яркости света для предварительной установки начального распределения оптического пропускания ПМС 2 в следующем цикле.
Пространственное разрешение оптического сенсора 1 предпочтительно является более высоким, чем пространственная частота расположения светомодулирующих элементов ПМС 2, поскольку функция оптического сенсора состоит в формировании выходного изображения с максимальным разрешением, а функция ПМС 2 состоит в ослаблении света оптических источников, которые, как правило, имеют размер гораздо больше, чем элемент разрешения. Поэтому установлено в общем случае соответствие одного элемента ПМС 2 группе световоспринимающих элементов оптического сенсора 1 (которая в предельном случае сводится к единственному световоспринимающему элементу).
mn
mn
mn
mn
mn
mn
Из хода лучей в схеме отображающего блока 3 (фиг. 2) видно, что продольные (вдоль оси Z) изменения положения mn-й локальной области (представленной для простоты точечным объектом O) внешнего пространственно-распределенного источника 5 света вызывают продольные (вдоль оси z) перемещения соответствующего изображения o. Когда продольные перемещения объекта O укладываются в глубину резко изображаемого пространства отображающего блока 3, на оптическом сенсоре 1 соответствующее изображение O является резким. Сохранение резкости изображения o при выходе перемещающегося объекта O из пределов глубины резко изображаемого пространства обеспечивается, например, изменением величины F главного фокусного расстояния отображающего блока 3.
1
Особенность работы частного варианта устройства (фиг. 3) состоит в том, что нормированный mn-й парциальный поток света проходит через светопроницаемую апертуру оптического сенсора 1, выход 1 которой является оптическим выходом устройства, на котором зрение наблюдателя напрямую воспринимает нормированное по яркости изображение внешнего пространственно-распределенного источника 5 света.
Задача расширения динамического диапазона оптической защиты решается достижением первого технического результата, состоящего в компрессии динамического диапазона входного света (за счет изменения оптического пропускания ПМС 2) с приведением его величины к величине динамического диапазона оптического сенсора. Расширение динамического диапазона оптической защиты по сравнению с динамическим диапазоном оптического сенсора определяется максимальным коэффициентом оптического затухания ПМС 2.
Задача улучшения точности локализации оптической защиты решается благодаря достижению второго технического результата, состоящего в том, что локальные области «защищающего» распределения оптического пропускания ПМС 2 с высокой точностью совпадают с соответствующими «защищаемыми» локальными областями оптического сенсора 1 независимо от поперечного пространственного расположения внешнего пространственно-распределенного источника 5 света (при этом пренебрегаем толщиной ПМС 2). Действительно, поперечное (вдоль координат X, Y) перемещение локальной области внешнего пространственно-распределенного источника 5 света, например, из ячейки mn в ячейку (m+1)(n+1) обозреваемой части физического пространства ведет к поперечному перемещению (вдоль координат х, у) изображения данной локальной области из mn-й группы световоспринимающих элементов в (m+1)(n+1)-ю группу световоспринимающих элементов оптического сенсора 1, сопровождающегося пропорциональным перемещением соответствующего парциального светового потока изображения из mn-го светомодулирующего элемента в (m+1)(n+1)-й светомодулирующий элемент ПМС 2 с сохранением их пространственного совпадения.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано для создания наблюдательных устройств и видео-, фотокамер с локальной оптической защитой для комфортного зрительного восприятия и съемок реальных сцен в условиях освещения объектов прямым солнечным светом, в том числе с присутствием солнечного диска в поле зрения.
Конкретный пример выполнения пространственного модулятора света - оптический модулятор на нематических [3] или на сегнетоэлектрических [4] жидких кристаллах.
Конкретные примеры выполнения оптического сенсора - на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или на комплементарных структурах металл-окисел-полупроводник (КМОП), в том числе выполнение оптического сенсора с светопроницаемой апертурой в виде пластиковой панели с внутренней фотолюминесценцией, регистрируемой периферийными линейками фотоприемников [5].
Литература
1. Yang Y. Sunlight attenuation visor. - Патент США №8083385, заявл. 26.10.2007, опублик. 27.12.2011.
2. Ежов В.А. Способ светозащитной фильтрации с зональной адаптацией и устройство для его осуществления. - Патент РФ №2482526, заявл. 13.10.2011, опублик. 20.05.2013.
3. Yang D.-K., Wu S.-T. Fundamentals of liquid crystal devices. - John Wiley & Sons, London, 2006.
4. Koppelhuber A., Bimber O. Towards a transparent, flexible, scalable and disposable image sensor using thin-film luminescent concentrators. - Optics Express, 2013, Vol. 21, No. 4, pp. 4796-4810.