ОПТИЧЕСКОЕ МНОГОПРОХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
OPTICAL MULTI-PASS IMAGE FORMING DEVICE BASED ON POLARIZATION ELEMENTS AND OPTICAL IMAGE CAPTURING SYSTEM FOR ELECTRONIC MOBILE DEVICES

Область техники
Изобретение относится к оптическим многопроходным устройствам формирования изображений на основе поляризационных элементов и оптическим системам захвата изображений для электронных мобильных устройств, например мобильных телефонов, смартфонов или планшетов, в частности для встроенных в них PDA сканеров, веб камер и портативных цифровых камер.
Описание предшествующего уровня техники
При съемке удаленных предметов, при портретной съемке широкое применение нашли длиннофокусные объективы, фокусное расстояние, которых значительно превышает диагональ кадра. Угол поля зрения такого объектива, как правило составляет от 5° до 20°.
Однако использование таких длиннофокусных объективов затруднено и порой невозможно для использования в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны и планшеты из-за значительной длины (TTL)указанных объективов, вызванного большим кол-вом оптических элементов в них, а также большого веса. Из уровня техники известно множество оптических устройств формирования изображения, а также устройств захвата изображения, но требования к оптическим устройствам формирования изображения, используемым в портативных электронных устройствах настолько высоки (низкое диафрагменное число, короткое TTL, небольшое количество оптических элементов в системе), что известные в уровне техники оптические системы не удовлетворяют всем указанным требованиям.
В патенте RU2659577C1, опубл.03.07.2018г., IPC G02B 27/01, раскрыто устройство формирования изображения, содержащее дисплей, первый поляризатор, первую фазовую пластинку, первый оптический элемент, вторую фазовую пластинку и второй оптический элемент, образующих многопроходную оптическую систему, включающую первый поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), первую фазовую пластинку (QWP), первый оптический элемент с нанесенным слоем холестерических жидких кристаллов(ChLC), вторую фазовую пластинку и второй оптический элемент. Это решение направлено на использование в очках или шлемах виртуальной реальности (VR), проекторах, коллиматорах, телескопах и направлено на формирование изображения на бесконечность и не может быть использовано в электронных устройствах типа мобильных телефонов.
В US20050117095А1, опубл.02.06.2005 г., IPC G02F 1/335, раскрыта оптическая система для формирования изображения, предназначенная для использования в ЖК дисплейных панелях, и содержащая: линейный поляризатор, отражательную полуволновую пластину, множество прозрачных проводящих структурированных подложек, расположенных рядом друг с другом для формирования управляемой сотовой структуры, содержащей холестерический материал (ChLC). Указанная оптическая система не позволяет формировать изображение на датчике.
В US5325218А, опубл.28.06.1994 г., IPC G02F 1/13, раскрыта панель жидкокристаллического дисплея (ЖКД), использующая холестерический поляризатор, который пропускает свет первой круговой поляризации, но отражает свет второй круговой поляризации. ЖК-панель может быть монохромной или цветной и содержит несколько различных цветовых фильтров, каждый из которых имеет один или несколько холестерических поляризаторов, настроенных на конкретную полосу пропускания в видимом спектре. Указанная ЖК панель не позволяет формировать изображение на датчике.
Техническое решение, раскрытое в US5638219A1, опубл. 10.06.2017 г., IPC G02B 13/18, описывает ультракомпактное оптическое устройство, которое предназначено для применения в производстве увеличительных линз, окуляров, микроскопов, телескопов, фотоаппаратов. Оптическое устройство состоит из монолитного блока оптического материала с двумя противоположными асферическими поверхностями, причем первичное зеркало представляет собой асферическую кольцевую зеркально-вогнутую поверхность, а вторичное зеркало представляет собой асферическую выпуклую или вогнутую зеркальную поверхность круглой формы; лучи света преломляются, когда они попадают в оптический материал, а затем отражаются на первичном зеркале, состоящем из обычно вогнутой поверхности оптического материала, и во вторичном зеркале, один или несколько раз и, наконец, они преломляются, покидая оптический материал. Указанное устройство представляет собой многопроходную оптическую систему, где преобразование лучей обеспечивается посредством переотражения излучения от зеркальных поверхностей, что вызывает значительные шумы при формировании изображения на датчике.
Наиболее близким аналогом заявленного оптического многопроходного устройства формирования изображения можно считать оптическую систему формирования изображения, раскрытую в US 6008947A, опубл.28.12.1999г., IPC G02B 27/01, указанная система используется в камерах и содержит, по меньшей мере, один оптический элемент, который содержит первую поверхность и вторую поверхность, с заполненной между ними средой с показателем преломления n больше 1 и указанный призменный элемент выполнен таким образом, что луч света, падающий со стороны объекта упомянутой оптической системы формирования изображения, подвергается, по меньшей мере, двум отражениям в указанном элементе призмы, каждая из упомянутой первой поверхности и упомянутой второй поверхности имеет форму криволинейной поверхности, и упомянутый элемент призмы выполнен таким образом указанный световой луч, падающий со стороны объекта, по меньшей мере, отражается на упомянутой второй поверхности, а затем на упомянутой первой поверхности, оставляя указанный элемент призмы через упомянутую вторую поверхность. Указанное устройство представляет собой многопроходную оптическую систему, где отражение и/или преломление излучения обеспечивается полупропускающими покрытиями на оптических элементах, что вызывает значительные шумы при формировании изображения на датчике.
Задача настоящего изобретения состоит в создании компактного оптического многопроходного устройства формирования изображений на основе поляризационных элементов с короткой общей длиной оптического устройства формирования изображения(TTL), т.е. менее фокусного расстояния оптического многопроходного устройства формирования изображений, которая достигается многократным прохождением излучения через небольшое количество оптических элементов с использованием поляризационных покрытий или элементов в устройстве и с одновременным обеспечением формирования изображения с высоким разрешением, а также оптического устройства захвата изображений, включающего указанное оптическое многопроходное устройство формирования изображений на основе поляризационных элементов.
Кроме того, авторы изобретения для обеспечения высокого разрешения изображения, формируемого заявленным оптическим многопроходным устройством формирования изображений на основе поляризационных элементов предусмотрели такую комбинацию поляризационных покрытий или элементов с предварительно определенными свойствами поляризации, позволяющими обеспечить многократное прохождение излучения через небольшое количество оптических элементов, составляющих указанное оптическое устройство, при одновременной минимизации шумов, а также минимизации потерь сигнала излучения, вызываемого поляризационным покрытием.
Многопроходная конфигурация прохождения луча в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений позволяет сократить общую длину оптического устройства примерно в два раза, по сравнению с известными из уровня техники решения, за счет многократного прохождения излучения через оптические элементы оптического многопроходного устройства формирования изображений, тем самым обеспечивая компактность оптического устройства.
Сущность изобретения
Согласно первому варианту реализации изобретения предлагается оптическое многопроходное устройство формирования изображений, содержащее оптически сопряженные апертурную диафрагму (АД) и блок оптических элементов, при этом указанный блок оптических элементов содержит переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения,
при этом указанный блок оптических элементов содержит по меньшей мере один линзовый элемент, поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновую пластину (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC),
при этом поляризатор (WGP) расположен перед или непосредственно на передней поверхности блока оптических элементов, а слой (ChLC)расположен за или непосредственно на задней поверхности блока оптических элементов, и четвертьволновая пластина (QWP) расположена между поляризатором (WGP)и слоем (ChLC);
при этом по меньшей мере один линзовый элемент выполнен с возможностью обеспечение преломления излучения с предварительно заданными углами падения;
при этом поляризатор (WGP) выполнен с возможностью передачи излучения с первым состоянием линейной поляризации и отражения излучения со вторым состоянием линейной поляризации;
при этом четвертьволновая пластина (QWP) имеет быстрые и медленные оси, расположенные по существу под углом 45°относительно плоскости поляризации поляризатора (WGP) и выполнена с возможностью преобразования излучения из первого состояния линейной поляризации в первое состояние циркулярной поляризации и преобразования излучения из первого состояния циркулярной поляризации во второе состояние линейной поляризации и преобразования излучения из второго состояния линейной поляризации во второе состояние циркулярной поляризации;
при этом слой холестерических жидких кристаллов (ChLC)выполнен с возможностью отражения излучения с первым состоянием циркулярной поляризацией и пропускания излучения со вторым состоянием циркулярной поляризации,
при этом поляризатор (WGP), по меньшей мере один линзовый элемент, четвертьволновая пластина (QWP) и слой (ChLC) расположены таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное многократное прохождение излучения со стороны объекта до плоскости изображения через указанные элементы.
При этом в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений первое состояние линейной поляризации является состоянием p-поляризации, а второе состояние линейной поляризации является состоянием s-поляризации, или наоборот; а первое состояние циркулярной поляризации является состоянием правой циркулярной поляризации, а второе состояние циркулярной поляризации является состоянием левой циркулярной поляризации, или наоборот.
Кроме того, четвертьволновая пластина (QWP) может быть расположена между поляризатором (WGP) и слоем (ChLC) перед или непосредственно на передней поверхности блока оптических элементов, и с возможностью преобразования излучения в предварительно заданное состояние поляризации, кроме того, четвертьволновая пластина (QWP) может быть расположена между поляризатором (WGP) и слоем (ChLC) после или непосредственно на задней поверхности блока оптических элементов, и с возможностью преобразования излучения в предварительно заданное состояние поляризации.
Согласно одному варианту реализации в блок оптических элементов дополнительно включена по меньшей мере одна плоскопараллельная пластина, например три плоскопараллельных пластины: первая плоскопараллельная пластина (11), вторая плоскопараллельная пластина (15) и третья плоскопараллельная пластина(16); и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первой плоскопараллельной пластины (11), обращенная к объекту; четвертьволновая пластина (QWP) нанесена на поверхность второй плоскопараллельной пластины(15), обращенную к объекту; и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC) нанесен на заднюю поверхность блока оптических элементов, являющейся поверхностью третьей плоскопараллельной пластины(16), обращенной к изображению.
Кроме того, в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений согласно одному варианту реализации по меньшей мере один линзовый элемент включает три линзы: первую линзу (12, 21), вторую линзу (13, 22) и третью линзу (14, 23) или одну линзу(31).
При этом первая линза (12) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность линзы (12) со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы (12) стороны изображения также является выпуклой; вторая линза (13) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность линзы (13) со стороны объекта является вогнутой, и поверхность линзы (13) со стороны изображения является вогнутой; и третья линза (14) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность линзы (14)со стороны объекта является вогнутой, а поверхность линзы (14) со стороны изображения является выпуклой.
Согласно еще одному варианту реализации первая линза (21) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность линзы (21) со стороны объекта является плоской, и поверхность линзы (21) стороны изображения также является вогнутой; вторая линза (22) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность линзы (22) со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы (22) со стороны изображения является вогнутой; и третья линза (23) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность линзы (23)со стороны объекта является вогнутой, а поверхность линзы (23) со стороны изображения является плоской.
При этом согласно одному варианту изобретения поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) может быть нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первой линзы (21), обращенной к объекту; на заднюю поверхность блока оптических элементов, которой является плоская поверхность третьей линзы (23), обращенная к изображению, последовательно нанесены четвертьволновая пластина (QWP)) и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
При этом согласно еще одному варианту изобретения поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) может быть нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первой линзы (21), обращенной к объекту; четвертьволновая пластина (QWP) нанесена на вогнутую поверхность второй линзы 22, обращенной к изображению; на заднюю поверхность блока оптических элементов, которой является плоская поверхность третьей линзы 23, обращенная к изображению, нанесен слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Кроме того, согласно одному варианту изобретения на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первой линзы (21), обращенной к объекту могут быть последовательно нанесены поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) и четвертьволновая пластина (QWP); на заднюю поверхность блока оптических элементов, которой является плоская поверхность третьей линзы (23), обращенная к изображению, нанесен слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Кроме того, согласно одному варианту изобретения, при наличии в блоке оптических элементов одной линзы (31) поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) может быть нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность линзы (31), обращенная к объекту; а на заднюю поверхность блока оптических элементов, которой является выпуклая поверхность линзы (31), обращенная к изображению, последовательно нанесены четвертьволновая пластина (QWP)) и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
А согласно еще одному варианту реализации на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность линзы (31), обращенная к объекту могут быть последовательно нанесены поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) и четвертьволновая пластина (QWP); а на заднюю поверхность блока оптических элементов, которой является выпуклая поверхность линзы (31), обращенная к изображению, нанесен слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
При этом каждый оптический элемент из указанного блока оптических элементов выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических стекол, оптических кристаллов и полимеров.
Кроме того, поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) имеет толщину, период штрихов и направление штрихов соответствующее первому состоянию линейной поляризации.
падения
пороговый
В многопроходном устройстве формирования изображений каждый оптический элемент из указанного блока оптических элементов выполнен таким образом, что обеспечивает максимальный угол падения (α) излучения на каждый из: поляризатора на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновой пластины (QWP), слоя холестерических жидких кристаллов(ChLC), не превышающий пороговый угол падения (α), при котором каждый из указанных элементов сохраняет свои поляризационные свойства.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрено оптическое устройство захвата изображений, содержащее оптически сопряженные оптическое многопроходное устройство формирования изображений, как раскрыто выше, и датчик, представляющий собой матричный фотодетектор.
Кроме того, опционально, оптическое устройство захвата изображений может дополнительно включать фильтр, например ИК- фильтр, расположенный между оптическим многопроходным устройством формирования изображений и датчиком. Указанный ИК-фильтр выполнен из оптического стекла и выполнен с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения.
Согласно второму варианту реализации изобретения предлагается оптическое многопроходное устройство формирования изображений, содержащий оптически сопряженные апертурную диафрагму (АД) и блок оптических элементов, при этом указанный блок оптических элементов содержит переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма(АД) и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения,
при этом блок оптических элементов содержит по меньшей мере один линзовый элемент, по меньшей мере одну плоскопараллельную пластину, поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновую пластину (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC),
при этом поляризатор (WGP)расположен перед или непосредственно на передней поверхности блока оптических элементов, а слой (ChLC)расположен за или непосредственно на задней поверхности блока оптических элементов, и четвертьволновая пластина (QWP) расположена между поляризатором (WGP)и слоем (ChLC);
при этом по меньшей мере один линзовый элемент выполнен с возможностью обеспечения преломления излучения с предварительно заданными углами падения;
при этом поляризатор (WGP) выполнен с возможностью передачи излучения с первым состоянием линейной поляризации и отражения излучения со вторым состоянием линейной поляризации;
при этом четвертьволновая пластина (QWP) имеет быстрые и медленные оси, расположенные по существу под углом 45° относительно плоскости поляризации поляризатора (WGP) и выполнена с возможностью преобразования излучения из первого состояния линейной поляризации в первое состояние циркулярной поляризации и преобразования излучения из первого состояния циркулярной поляризации во второе состояние линейной поляризации и преобразования излучения из второго состояния линейной поляризации во второе состояние циркулярной поляризации;
при этом слой холестерических жидких кристаллов (ChLC)выполнен с возможностью отражения излучения с первым состоянием циркулярной поляризацией и пропускания излучения со вторым состоянием циркулярной поляризации,
при этом поляризатор (WGP), по меньшей мере один линзовый элемент, по меньшей мере одна плоскопараллельная пластина, четвертьволновая пластина (QWP) и слой (ChLC) расположены таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное многократное прохождение излучения со стороны объекта до плоскости изображения через указанные элементы.
При этом в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений первое состояние линейной поляризации является состоянием p-поляризации, а второе состояние линейной поляризации является состоянием s-поляризации, или наоборот; а первое состояние циркулярной поляризации является состоянием правой циркулярной поляризации, а второе состояние циркулярной поляризации является состоянием левой циркулярной поляризации, или наоборот.
Кроме того, четвертьволновая пластина (QWP) может быть расположена между поляризатором (WGP) и слоем (ChLC) перед или непосредственно на передней поверхности блока оптических элементов, и с возможностью преобразования излучения в предварительно заданное состояние поляризации, или четвертьволновая пластина (QWP) может быть расположена между поляризатором (WGP) и слоем холестерических жидких кристаллов (ChLC) после или непосредственно на задней поверхности блока оптических элементов, и с возможностью преобразования излучения в предварительно заданное состояние поляризации.
Согласно одному варианту реализации в блоке оптических элементов по меньшей мере одна плоскопараллельная пластина, может включать, например три плоскопараллельных пластины: первую плоскопараллельную пластину (11), вторую плоскопараллельную пластину (15) и третью плоскопараллельную пластину(16).
Кроме того, поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) может быть нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первой плоскопараллельной пластины (11), обращенная к объекту; четвертьволновая пластина (QWP) нанесена на поверхность второй плоскопараллельной пластины(15), обращенную к объекту; и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC) нанесен на заднюю поверхность блока оптических элементов, являющейся поверхностью третьей плоскопараллельной пластины(16), обращенной к изображению.
При этом каждый оптический элемент из указанного блока оптических элементов выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических стекол, оптических кристаллов и полимеров.
Кроме того, поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) имеет толщину, период штрихов и направление штрихов соответствующее первому состоянию линейной поляризации.
падения
пороговый
В многопроходном устройстве формирования изображений каждый оптический элемент из указанного блока оптических элементов выполнен таким образом, что обеспечивает максимальный угол падения (α) излучения на каждый из: поляризатора на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновой пластины (QWP), слоя холестерических жидких кристаллов(ChLC), не превышающий пороговый угол падения (α), при котором каждый из указанных элементов сохраняет свои поляризационные свойства.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрено оптическое устройство захвата изображений, содержащее оптически сопряженные оптическое многопроходное устройство формирования изображений, как раскрыто выше, и датчик, представляющий собой матричный фотодетектор.
Кроме того, опционально, оптическое устройство захвата изображений может дополнительно включать фильтр, например ИК- фильтр, расположенный между оптическим многопроходным устройством формирования изображений и датчиком. Указанный ИК-фильтр выполнен из оптического стекла и выполнен с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения.
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно первому и второму вариантам реализации обеспечивает компактное устройство формирования изображений на основе поляризационных элементов, выполненное с возможностью обеспечения многократного прохождения излучения через блок оптических элементов с использованием поляризационных покрытий или элементов, что позволяет сократить общую длину оптического устройства примерно в два раза, по сравнению с известными из уровня техники решения, тем самым обеспечивая компактность оптического устройства, и с одновременным обеспечением формирования изображение с высоким разрешением, при одновременной минимизации шумов, а также минимизации потерь сигнала излучения, вызываемого поляризационным покрытием.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2а иллюстрирует примерную структуру слоя холестерических жидких кристаллов (Cholesteric Liquid Crystal(ChLC).
Фиг. 2b иллюстрирует пример поляризатора на основе проволочной сетки (wire grid polarizer (WGP)) согласно изобретению;
Фиг. 2с иллюстрирует пример преобразования излучения, проходящего через четвертьволновую пластину (QWP).
Фиг. 3а иллюстрирует схему прохождения света при прохождении через оптическое многопроходное устройство формирования изображений в развернутом виде согласно первому варианту реализации изобретения.
Фиг. 3b иллюстрирует схему преобразования состояния поляризации прохождения света при прохождении через поляризатор WGP, четвертьволновую пластину (QWP) и слой ChLC согласно фиг. 3а.
Фиг. 4а иллюстрирует схему прохождения света при прохождении через оптическое многопроходное устройство формирования изображений в развернутом виде согласно второму варианту реализации изобретения.
Фиг. 4b иллюстрирует схему преобразования состояния поляризации прохождения света при прохождении через поляризатор WGP, четвертьволновую пластину (QWP) и слой ChLC согласно фиг. 4а.
Фиг.5 иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 1;
Фиг.6 иллюстрирует графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 1;
Фиг.7a иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 2a.
Фиг.7b иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 2b.
Фиг.7c иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 2c.
Фиг.8 - представлены графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примерам 2а-2с;
Фиг.9a иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 3a.
Фиг.9b иллюстрирует схематичный вид оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 3b.
Фиг.10 - представлены графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 3а и Примеру 3b.
Осуществление изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако, настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, указанных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, перечисленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» или «пример» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный» или «пример» необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
Далее, схематично будет описано прохождение излучения от объекта до датчика со ссылкой на фиг. 1, где представлено схематичное представление оптического многопроходного устройства формирования изображений. Следует отметить, что часть элементов на фиг.1, 3а-3b, 4a-4b намеренно опущена, поскольку целью дальнейшего раскрытия является детальное пояснение процессов преобразования состояний поляризации в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений со ссылками на фиг.1, 3а-3b, 4a-4b.
Следует отметить, что согласно изобретению блок оптических элементов, входящий в состав оптического многопроходного устройства формирования изображений, содержит оптические элементы, включающие по меньшей мере один линзовый элемент (L), опционально, по меньшей мере одну плоскопараллельную пластину (не показано) и поляризационные элементы: поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP); слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Согласно фиг.1:
-(1) От объекта неполяризованное излучение поступает в оптическое многопроходное устройство формирования изображений, а именно на переднюю поверхность блока оптических элементов (не показан), где оно падает на поляризатор на основе проволочной сетки (wire grid polarizer (WGP)).
Следует отметить, поляризатор на основе проволочной сетки (далее, как (WGP)) представляет собой линейный поляризатор, который состоит из множества тонких параллельных металлических проволок, расположенных на заданной поверхности и выполнен таким образом, что обеспечивает пропускание излучение с первым состоянием линейной поляризации и отражения излучения со вторым состоянием линейной поляризации или наоборот. Пример такого линейного поляризатора представлен на фиг.2b, где на стеклянной подложке расположен набор параллельных алюминиевых проволок, образующих определенную структуру проволок, каждая с заданной толщиной, шириной, периодом. При этом излучение с состоянием S поляризации отражается (соответствует второму состоянию поляризации), а с состоянием P поляризации (соответствует первому состоянию поляризации) пропускается через указанный поляризатор
-(2)В WGP указанное излучение поляризуется предварительно заданным образом, опционально представляет собой излучение с первым состоянием поляризации, опционально, под углом +45 градусов.
-(3) Далее линейно-поляризованное излучение с первым состоянием поляризации проходит по меньшей мере один линзовый элемент(L), и преломляется под заданным углом; и
- (4) далее линейно-поляризованный свет падает на фазовую пластину, представляющую собой четвертьволновую пластину (QWP) таким образом, что быстрая ось QWP расположена под углом +45 градусов к плоскости поляризации поляризатора (WGP).
Следует отметить, что фазовые пластины хорошо известны из уровня техники и способны изменять состояние поляризации, проходящего через него света. При этом четвертьволновая фазовая пластинка выполнена с возможностью преобразования линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный свет, и наоборот. Пример преобразования излучения, проходящего через четвертьволновую пластину (QWP) показан на фиг.2с.
- Таким образом, после прохождения через четвертьволновую пластину QWP свет изменяет первое состояние линейной поляризации на первое состояние циркулярной поляризации (в данном примере являющейся состоянием правой циркулярной поляризации),
-(5) далее свет падает на слой холестеричиских жидких кристаллов (Cholesteric Liquid Crystal(ChLC).
Холестерический жидкий кристалл используется в настоящем раскрытии в его обычном значении и относится к жидкому кристаллу со спиралевидной структурой, который, поэтому, является хиральным. Холестерические жидкие кристаллы также известны как хиральные нематические жидкие кристаллы. Эти кристаллы отличаются своей компоновкой в слои без позиционного порядка в пределах слоев. Вследствие своей периодической структуры (т.е. спиралевидной молекулярной ориентации) холестерические жидкие кристаллы избирательно отражают световую составляющую в заданном диапазоне длин волн. Существенным для настоящего изобретения является то, что в нем используются холестерические жидкие кристаллы, обеспечивающие максимальное пропускание пучков света с левосторонней циркулярной поляризацией и максимальное отражение пучков света с правосторонней циркулярной поляризацией. Пример структуры слоя холестерических жидких кристаллов (Cholesteric Liquid Crystal(ChLC)показан на фиг.2а.
-С учетом указанного пояснения слой ChLC выполнен таким образом, что свет с первым состоянием циркулярной поляризации (как пример состоянием правой циркулярной поляризации (RCP), по существу, полностью отражается от слоя ChLC; и
-(6) без изменения свет снова падает на четвертьволновую пластину QWP, где из свет с первым состоянием циркулярной поляризации, в данном случае, как показано на фиг.1 RCP излучение преобразуется в свет со вторым состоянием линейной поляризации, как пример под углом -45°,
-который затем падает на по меньшей мере один линзовый элемент (L), проходит через него во второй раз; и
-(7) далее падает на поляризатор WGP, сохраняя при этом направление поляризации под углом -45°;
-далее линейно-поляризованный свет отражается от поляризатора WGP, сохраняя при этом второе состояние поляризации (т.е. в данном конкретном примере направление поляризации -45°; и
- проходит через по меньшей мере один линзовый элемент (L) уже третий раз;
-(8) далее свет со вторым состоянием поляризации (в данном конкретном примере под углом -45°) падает на четвертьволновую пластину QWP, где преобразуется в свет со вторым состоянием циркулярной поляризации (в данном примере, являющимся состоянием левой циркулярной поляризации) (LCP),
(9) который падает на слой ChLC, который настроен так, что, по существу, полностью пропускает свет LCP на датчик.
На фиг. 3а представлена детальная схема прохождения света в развернутом виде согласно одному варианту реализации изобретения, где неполяризованное излучение от объекта поступает под предварительно заданным углом на поляризатор WGP, которые обеспечивает пропускание излучения с состоянием P поляризации, соответствующее первому состоянию линейной поляризации, далее свет проходит по меньшей мере один линзовый элемент (L), преломляется под заданным углом и выходит из него с сохранением состояния P поляризации и падает на четвертьволновую пластину (QWP) таким образом, что быстрая ось QWP расположена под углом +45 градусов к плоскости поляризации поляризатора (WGP). После прохождения через QWP свет изменяет P состояние линейной поляризации на состояние правой циркулярной поляризации (RCP) соответствующее первому состоянию циркулярной поляризации и далее падает на слой ChLC, который выполнен таким образом, что свет с состоянием правой циркулярной поляризации (RCP), по существу, полностью отражается на четвертьволновую пластину (QWP); и без изменения снова падает на пластину QWP, где из света с состоянием правой циркулярной поляризации (RCP), излучение преобразуется в свет с состоянием S поляризации, соответствующей второму состоянию линейной поляризации, как пример под углом -45 градусов, и затем снова падает на по меньшей мере один линзовый элемент (L), проходит через него во второй раз; и далее падает на поляризатор WGP, сохраняя при этом направление состояния S поляризации, под углом -45 градусов; далее линейно-поляризованный свет отражается от поляризатора WGP, сохраняя при этом второе состояние S поляризации; и проходит через по меньшей мере один линзовый элемент (L)уже третий раз; преломляется под заданным углом и далее свет сохраняя при этом состояние S поляризации падает на пластину QWP, где преобразуется в свет с состоянием левой циркулярной поляризации, соответствующим второму состоянию циркулярной поляризации (LCP), который падает на слой ChLC, который настроен так, что, по существу, полностью пропускает свет LCP на датчик.
На фиг. 3b схематично представлены процессы преобразования состояния поляризации при прохождении через поляризатор WGP, четвертьволновую пластину (QWP) и слой ChLC согласно фиг. 3а.
Прохождение света через по меньшей мере один линзовый элемент (L), детально раскрыто на фиг. 3а и намеренно опущено на фиг. 3b.
На фиг. 3b обозначены следующие компоненты оптического многопроходного устройства формирования изображений следующим образом: WGP- поляризатор на основе проволочной сетки (wire grid polarizer (WGP), QWP- четвертьволновая пластина (QWP); ChLC -слой холестерических жидких кристаллов(ChLC); P-pol представляет собой свет с состоянием P поляризации(P-поляризованный свет); S-pol представляет собой свет с состоянием S поляризации(S-поляризованный свет); RCP- свет с состоянием правой циркулярной поляризации; LCP- свет с состоянием левой циркулярной поляризации.
-Неполяризованный свет от объекта попадает на поляризатор WGP, где направление проволок, образующих структуру поляризатора соответствует состоянию P поляризации и преобразуется в свет с состоянием P поляризации (P-поляризованный свет).
y
-P-поляризованный свет проходит через пластину QWP преобразуется в свет с состоянием правой циркулярной поляризации (RCP), поскольку быстрая ось пластины QWP имеет такое же направление, как и направление электрической компоненты (E)падающего на нее P-поляризованного света, вследствие чего смещается по фазе на π/2.
- Свет RCP отражается от слоя ChLC с сохранением состояния поляризации, поскольку слой ChLC имеет правостороннюю спиральную структуру жидкого кристалла.
-Отраженный свет RCP проходит через четвертьволновую пластину (QWP) и преобразуется в свет с состоянием S поляризации (S-поляризованный свет), поскольку смещение электрической компоненты Ey становится равной π, увеличиваясь дополнительно на π/2.
- S-поляризованный свет отражается от поляризатора WGP, поскольку направление проволок, образующих структуру поляризатора соответствует состоянию P поляризации.
-S-поляризованный свет проходит через пластину QWP и преобразуется в свет с состоянием левой циркулярной поляризации (свет LCP), поскольку электрическая компонента Ey дополнительно смещается по фазе на π/2.
- Свет LCP проходит через слой ChLC, поскольку слой ChLC имеет правостороннюю спиральную структуру жидкого кристалла и направляется на датчик.
На фиг. 4а представлена детальная схема прохождения света в развернутом виде согласно еще одному варианту реализации изобретения, где неполяризованное излучение от объекта поступает под предварительно заданным углом на поляризатор WGP, которые обеспечивает пропускание излучения с состоянием S поляризации, соответствующее второму состоянию линейной поляризации, далее свет проходит по меньшей мере один линзовый элемент (L), преломляется под заданным углом и выходит из него с сохранением состояния S поляризации и падает на четвертьволновую пластину (QWP) таким образом, что быстрая ось QWP расположена под углом
-45 градусов к плоскости поляризации поляризатора (WGP). После прохождения через QWP свет изменяет S состояние линейной поляризации на состояние левой циркулярной поляризации (LCP) соответствующее второму состоянию циркулярной поляризации и далее падает на слой ChLC, который выполнен таким образом, что свет с состоянием левой циркулярной поляризации (LCP), по существу, полностью отражается на четвертьволновую пластину (QWP); и без изменения снова падает на пластину QWP, где из света с состоянием левой циркулярной поляризации (LCP), излучение преобразуется в свет с состоянием P поляризации, соответствующей первому состоянию линейной поляризации, как пример под углом +45 градусов, и затем снова падает на по меньшей мере один линзовый элемент (L), проходит через него во второй раз; и далее падает на поляризатор WGP, сохраняя при этом направление состояния P поляризации, под углом +45 градусов; далее линейно-поляризованный свет отражается от поляризатора WGP, сохраняя при этом первое состояние P поляризации; и
проходит через по меньшей мере один линзовый элемент (L), уже третий раз; преломляется и далее свет сохраняя при этом состояние P поляризации падает на пластину QWP, где преобразуется в свет с состоянием правой циркулярной поляризации, соответствующим первому состоянию циркулярной поляризации (LCP), который падает на слой ChLC, который настроен так, что, по существу, полностью пропускает свет LCP на датчик.
падения
пороговый
Каждый оптический элемент из блока оптических элементов выполнен таким образом, что обеспечивает максимальный угол падения (α) излучения на каждый из поляризационных элементов: поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновую пластину (QWP), слой холестерических жидких кристаллов(ChLC), не превышающий пороговый угол падения (α), при котором каждый из указанных элементов сохраняет свои поляризационные свойства.
Каждый поляризационный элемент имеет собственное ограничение диапазона углов падения света на него при котором сохраняются его поляризационные свойства. Поляризатор WGP сохраняет свою эффективность в пределах углов падения <~20.0º. Четвертьволновая пластина QWP сохраняет свою эффективность в пределах углов падения <~10.0º. Слой холестерических жидких кристаллов ChLC сохраняет свою эффективность в пределах углов падения <~45.0º. Согласно конкретным исполнениям поляризационных элементов, значения углов падения могут отличаться от приведенных.
Совокупность оптических элементов должна быть выполнена таким образом, что свет падает на поляризационные элементы менее указанных значений углов падений.
падения
пороговый
Где, α - максимальный угол падения света на поляризационный элемент, α  - пороговый угол падения поляризационного элемента при котором он сохраняет свои поляризационные свойства.
Авторы изобретения провели ряд экспериментальных исследования и выявили следующие значения пороговых углов падения на каждый из поляризационных элементов, используемых в заявленном устройстве:
пороговый
-для поляризатора WGP пороговый угол падения света (α )составляет 20 градусов,
пороговый
-для четвертьволновой пластины (QWP) пороговый угол падения (α )составляет 10 градусов,
пороговый
-для слоя холестерических жидких кристаллов ChLC пороговый угол падения (α )составляет 45 градусов.
В таком случае сохраняется высокая эффективность поляризационных элементов, что минимизирует количество рассеянного излучения в оптической системе и шумов.
На фиг. 4b схематично представлены процессы преобразования состояния поляризации при прохождении через поляризатор WGP, четвертьволновую пластину (QWP) и слой ChLC согласно фиг. 4а.
Прохождение света через совокупность оптических элементов (L) детально раскрыто на фиг. 4а и намеренно опущено на фиг. 4b.
На фиг. 4b обозначены следующие компоненты устройства формирования изображения следующим образом: WGP- поляризатор на основе проволочной сетки (wire grid polarizer (WGP), QWP- четвертьволновая пластина (QWP); ChLC -слой холестерических жидких кристаллов(ChLC); P-pol представляет собой свет с состоянием P поляризации(P-поляризованный свет); S-pol представляет собой свет с состоянием S поляризации(S-поляризованный свет); RCP- свет с состоянием правой циркулярной поляризации; LCP- свет с состоянием левой циркулярной поляризации.
-Неполяризованный свет от объекта попадает на поляризатор WGP, где направление проволок, образующих структуру поляризатора соответствует состоянию S поляризации и преобразуется в свет с состоянием S поляризации (S-поляризованный свет).
-S-поляризованный свет проходит через пластину QWP преобразуется в свет с состоянием левой циркулярной поляризации (LCP), поскольку быстрая ось пластины QWP имеет такое же направление, как и направление электрической компоненты (Ey) падающего на нее S-поляризованного света, вследствие чего смещается по фазе на π/2.
- Свет LCP отражается от слоя ChLC с сохранением состояния поляризации, поскольку слой ChLC имеет левостороннюю спиральную структуру жидкого кристалла.
-Отраженный свет LCP проходит через четвертьволновую пластину (QWP) и преобразуется в свет с состоянием P поляризации (P-поляризованный свет), поскольку смещение электрической компоненты Ey становится равной π, увеличиваясь дополнительно на π/2.
- P-поляризованный свет отражается от поляризатора WGP, поскольку направление проволок, образующих структуру поляризатора соответствует состоянию S поляризации.
-P-поляризованный свет проходит через пластину QWP и преобразуется в свет с состоянием правой циркулярной поляризации (свет RCP), поскольку электрическая компонента Ey дополнительно смещается по фазе на π/2.
- Свет RCP проходит через слой ChLC, поскольку слой ChLC имеет левостороннюю спиральную структуру жидкого кристалла и направляется на датчик.
Далее представлены конкретные Примеры реализации многопроходного устройства формирования изображений и устройства захвата изображений. Но как уже указывалось в настоящем раскрытии любой вариант осуществления изобретения, описанный здесь как «пример» необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления, раскрытыми в описании и формуле изобретения.
Пример 1
Согласно изобретению представлена оптическое многопроходное устройство формирования изображений (см. фиг.5) на основании поляризационных элементов, и оптическое устройство захвата изображений, включающее оптическое многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. фиг.5).
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 1 включает оптически сопряженные и последовательно расположенные вдоль оптической оси устройства апертурную диафрагму (АД) и шесть оптических элементов, расположенных последовательно вдоль оптической оси оптического устройства формирования изображений на основании поляризационных элементов со стороны объекта до поверхности изображения (совпадает с датчиком, (см.фиг.5)), формируемого устройством и представляющих собой первый оптический элемент (11), второй оптический элемент (12), третий оптический элемент (13), четвертый оптический элемент (14), пятый оптический элемент (15) и шестой оптический элемент (16).
При этом первый оптический элемент 11 представляет собой плоскопараллельную пластину, при этом обе поверхности первого оптического элемента являются плоскими.
Второй оптический элемент 12 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы со стороны изображения также является выпуклой.
Третий линзовый элемент 13 представляет собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является вогнутой, и поверхность линзы со стороны изображения является вогнутой.
Четвертый оптический элемент 14 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является вогнутой, а поверхность линзы со стороны изображения является выпуклой.
Пятый оптический элемент 15 представляет собой плоскопараллельную пластину, обе поверхности, которой являются плоскими.
Шестой оптический элемент 16 представляет собой плоскопараллельную платину, обе поверхности, которой являются плоскими.
Каждый из линзовых элементов 11, 12, 13, 14, 15, 16 выполнен из оптического пластика или оптического стекла.
На Фиг.6 представлены графики частотно-контрастной характеристики оптического многопроходного устройства формирования изображения на основе поляризационных покрытий Примеру 1 для различных точек поля (0,0°; 3,0°; 2,45°; 1,73°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота на фиг. 6 составляет 300 лин/мм, и из графиков следует, что на частоте 200 лин/мм контраст (MTF)превышает значение 0, 2 для всех точек поля.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат контраст -модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий частотно-контрастную характеристику изображения.
Кривые, представленные на фиг.6, иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°; 3,0°; 2,45°; 1,73°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
Как уже указывалось в настоящем описании многократное прохождение излучений через оптическое многопроходное устройство формирования изображений обеспечивается размещением поляризационных элементов на определенные оптические элементы устройства. Следует отметить, что указанные поляризационные элементы и оптические элементы образуют блок оптических элементов устройства. Далее со ссылками на фиг. 5 будет раскрыта примерная компоновка оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 1.
В Примере 1 в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений на основании поляризационных элементов, в данном случае выполненных в виде покрытий на определенных оптических элементах (см. Фиг. 5), поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первого оптического элемента 11, обращенная к объекту; четвертьволновая пластина (QWP) нанесена на плоскую поверхность пятого оптического элемента 15, обращенную к объекту; и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC) нанесен на плоскую поверхность (задняя поверхность) шестого оптического элемента, обращенную к изображению, являющуюся задней поверхностью блока оптических элементов.
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно изобретению (фиг.5) также включает апертурную диафрагму (АД), расположенную на первом оптическом элементе 11 со стороны объекта.
Все вышеуказанные элементы оптического многопроходного устройства формирования изображений являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 10, являющегося составной часть оптического устройства захвата изображений, включающего указанное оптическое многопроходное устройство формирования изображений.
При этом датчик представляет собой матричный фотодетектор, выполненный с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,48-0,66 мкм, а размер пиксела датчика составляет 2,5 мкм.
Кроме того, опционально, оптическое устройство захвата изображений согласно Примеру 1 может дополнительно включать фильтр (не показан), например ИК- фильтр, расположенный между оптическим многопроходным устройством формирования изображений и датчиком. Указанный ИК-фильтр выполнен из оптического стекла и выполнен с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения.
В Tаблице 1 представлены конструктивные параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений, которое характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число (Fno)=5,5,
-фокусное расстояние устройства (F`)=20,0 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 3,0°,
- осевое расстояние между поверхностью первого оптического элемента 11 со стороны объекта и поверхностью изображения, т. е. общая длина оптического многопроходного устройства формирования изображений (TTL)=11,0 мм
- Δλ = (F-d-C) -cпектральный диапазон 0,4861мкм -0,6563мкм для оптического многопроходного устройства формирования изображений.
Таблица 1
F` = 20.0 мм, Fno = 5.5, HFOV=3.0 градуса, TTL=11.0 мм, Δλ = F-d-C
Радиус
Осевая толщина
Nd; Число Аббе
Макс. полудиаметр
Конич. постоянная
1-АД
бесконечность
0,20
1.52; 64.2
3,50
0,00
2
бесконечность
0,50
3,50
0,00
3
7,0929
2,00
1.43; 95.2
3,50
1,51
4
-13,1439
1,70
3,50
0,00
5
-4,9120
0,80
1.73; 51.8
2,80
0,00
6
150,3131
2,30
2,80
0,00
7
-7,1705
1,50
1.62; 63.5
3,20
0,00
8
-4,6589
0,20
3,20
-0,36
9
бесконечность
0,20
1.52; 64.2
3,10
0,00
10
бесконечность
0,20
3,10
0,00
11
бесконечность
0,20
1.52; 64.2
3,10
0,00
12
бесконечность
0,20
3,10
0,00
13-Датчик
бесконечность
-
-
3,00
-
При этом в Таблице 1: радиус, осевая толщина, максимальный полудиаметр представлены в мм.
Нумерация поверхностей оптических элементов с 1 по 13 относится к поверхностям в порядке от объекта до изображения При этом согласно Примеру 1 в соответствии с фиг.5, апертурная диафрагма (АД) находится на поверхности 1 первого оптического элемента и поверхности 1 и 2, обозначенные в Таблице 1, относятся к первому оптическому элементу под позицией 11, поверхности 3, 4 относятся к второму оптическому элементу (линза) под позицией 12, и тому подобное. При этом поверхность 13 относится к датчику 10, на котором формируется изображение.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и устройства захвата изображений согласно Примеру 1 обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 200 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,5 мкм, при TTL =11,0 мм и диафрагменном числе оптического устройства формирования изображений равном 5,5. При этом максимальный угол падения света (α) на поляризатор WGP составляет 3,05 градуса, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 3, 60 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 3, 60 градусов.
Пример 2a
Согласно изобретению представлено оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.7a) на основании поляризационных элементов, выполненных в данном примере в виде поляризационных покрытий, а также оптическое устройство захвата изображений, включающее указанное многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. 7a).
Многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 2a включает оптически сопряженные и последовательно расположенные вдоль оптической оси оптического многопроходного устройства формирования изображений на основании поляризационных элементов со стороны объекта до поверхности изображения, формируемого устройством, и представляющих собой апертурную диафрагму (АД), первый оптический элемент (21), второй оптический элемент (22), третий оптический элемент (23). Следует отметить, что поверхность изображения совпадает с чувствительной поверхностью датчика 20(см.фиг.7a).
Следует отметить, что вышеуказанные оптические элементы и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC) образуют блок оптических элементов, имеющий переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения.
При этом первый оптический элемент 21 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность указанной линзы со стороны объекта является плоской, а поверхность указанной линзы со стороны изображения является выпуклой.
Второй оптический элемент 22 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы со стороны изображения также является вогнутой.
Третий линзовый элемент 23 представляет собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является вогнутой, и поверхность линзы со стороны изображения является плоской.
В Примере 2a в оптическом многопроходном устройстве формирования изображений на основании поляризационных покрытий (см. Фиг. 7a) поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первого оптического элемента 21, обращенная к объекту; на плоскую поверхность третьего оптического элемента 23, обращенную к изображению, последовательно нанесены слой (QWP)( фазовая четвертьволновая пластина (QWP)) и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Оптическое многопроходное устройство захвата изображений согласно изобретению (фиг.7a) также включает апертурную диафрагму (АД), расположенную на плоской поверхности первого оптического элемента 21 со стороны объекта.
Все вышеуказанные элементы оптического многопроходного устройства формирования изображений являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 20.
При этом датчик 20 представляет собой матричный фотодетектор, выполненный с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,48-0,66 мкм, а размер пиксела датчика может составлять 2,0 мкм.
Кроме того, опционально, оптическое устройство захвата изображений согласно Примеру 2а может дополнительно включать фильтр (не показан), например ИК- фильтр, расположенный между оптическим многопроходным устройством формирования изображений и датчиком. Указанный ИК-фильтр выполнен из оптического стекла и выполнен с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения.
На Фиг.8 представлены графики частотно-контрастной характеристики оптического многопроходного устройства формирования изображений на основе поляризационных покрытий согласно Примеру 2а для различных точек поля (0,0°; 5,0°; 4,08°; 2,89°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота на фиг. 8 составляет 300 лин/мм, и из графиков следует, что на частоте 250 лин/мм контраст (MTF)превышает значение 0,2 для всех точек поля.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат контраст -модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий частотно-контрастную характеристику изображения.
Кривые, представленные на фиг.8, иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°; 5,0°; 4,08°; 2,89°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
В Tаблице 2 представлены конструктивные параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений, которые характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число (Fno)=4,0,
-фокусное расстояние устройства (F`)=20,0 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 5,0°,
- осевое расстояние между поверхностью первого оптического элемента 21 со стороны объекта и поверхностью изображения, т. е общая длина оптического многопроходного устройства формирования изображений (TTL)=11,37 мм,
- Δλ = (F-d-C) -cпектральный диапазон 0,4861мкм -0,6563мкм для оптического многопроходного устройства формирования изображений.
Таблица 2
F` = 20.0 мм, Fno = 4.0, HFOV=5.0 градуса, TTL=11.37 мм, Δλ = F-d-C
Радиус
Осевая толщина
Nd; Число Аббе
Макс. полудиаметр
Конич. постоянная
1 - АД
бесконечность
1,00
1.59; 61.2
3,90
0,00
2
-16,8600
0,10
3,90
0,00
3
7,2836
1,00
1.52; 55.8
3,70
-0,59
4
9,2363
7,00
3,70
-1,09
5
-11,8711
1,27
1.64; 22.4
2,20
0,00
6
бесконечность
-1,27
2,20
0,00
7 - Датчик
бесконечность
-
-
1,77
-
При этом в Таблице 2: радиус, осевая толщина, максимальный полудиаметр представлены в мм.
Нумерация поверхностей оптических элементов с 1 по 7 относится к поверхностям в порядке от объекта до изображения При этом согласно Примеру 2а в соответствии с фиг.7а, где поверхность 1 относится к апертурной диафрагме (АД), расположенной на плоской поверхности первого оптического элемента 21 и поверхности 1, 2, обозначенные в Таблице 2, относятся к первому оптическому элементу под позицией 21, поверхности 3, 4 относятся к второму оптическому элементу (линза) под позицией 22, и тому подобное. При этом поверхность 7 относится к датчику 20, на рабочей поверхности, которого формируется изображение.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и оптического устройства захвата изображений согласно Примеру 2а обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 250 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,0 мкм, при TTL =11,37 мм и диафрагменном числе оптического многопроходного устройства формирования изображений равном 4,0. При этом максимальный угол падения света (α) на поляризатор WGP составляет 5,00 градусов, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 4, 55 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 4, 55 градусов.
Пример 2b
Согласно изобретению представлено оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.7b) на основании поляризационных покрытий, и оптическое устройство захвата изображений, включающее указанное оптическое многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. 7b).
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 2b полностью повторяет структуру устройства согласно Примеру 2a, за исключением элементов, на которые нанесены поляризационные покрытия.
Таким образом оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 2b включает оптически сопряженные и последовательно расположенные вдоль оптической оси оптического многопроходного устройства формирования изображений на основании поляризационных элементов со стороны объекта до поверхности изображения, формируемого устройством и представляющих собой апертурную диафрагму (АД), первый оптический элемент (21), второй оптический элемент (22), третий оптический элемент (23).
Следует отметить, что вышеуказанные оптические элементы и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC) образуют блок оптических элементов, имеющий переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения.
При этом первый оптический элемент 21 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность указанной линзы со стороны объекта является плоской, а поверхность указанной линзы со стороны изображения является выпуклой.
Второй оптический элемент 22 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы со стороны изображения также является вогнутой.
Третий линзовый элемент 23 представляет собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является вогнутой, и поверхность линзы со стороны изображения является плоской.
В Примере 2b в оптическом устройстве формирования изображения на основании поляризационных покрытий (см. Фиг. 7b) поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первого оптического элемента 21, обращенная к объекту; четвертьволновая пластина (QWP) нанесена на вогнутую поверхность второго оптического элемента 22, обращенную к изображению; слой холестерических жидких кристаллов(ChLC) нанесен на плоскую поверхность третьего оптического элемента 23, обращенную к изображению.
Все конструктивные параметры устройства согласно Примеру 2a (см. Таблица 2 и пояснения к Таблице 2, а также графики на фиг. 8 и пояснения к ним) полностью совпадают с параметрами оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 2b, поэтому опущены в настоящем раскрытии.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и оптического устройства захвата изображений согласно Примеру 2b обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 250 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,0 мкм, при TTL =11,37 мм и диафрагменном числе оптического устройства формирования изображений равном 4,0. При этом максимальный угол падения света (α) на поляризатор WGP составляет 5,00 градусов, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 5, 20 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 4, 55 градусов.
Пример 2с
Согласно изобретению представлено оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.7с) на основании поляризационных элементов, выполненных в виде покрытий, и оптическое устройство захвата изображений, включающее указанное многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. 7с).
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 2с полностью повторяет структуру устройства согласно Примеру 2a, за исключением элементов, на которые нанесены поляризационные покрытия.
Таким образом оптическое многопроходное устройство формирования изображений согласно Примеру 2с включает оптически сопряженные и последовательно расположенные вдоль оптической оси оптического многопроходного устройства формирования изображений на основании поляризационных элементов со стороны объекта до поверхности изображения, формируемого устройством и представляющих собой апертурную диафрагму (АД), первый оптический элемент (21), второй оптический элемент (22), третий оптический элемент (23).
Следует отметить, что вышеуказанные оптические элементы и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC) образуют блок оптических элементов, имеющий переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения.
При этом первый оптический элемент 21 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность указанной линзы со стороны объекта является плоской, а поверхность указанной линзы со стороны изображения является выпуклой.
Второй оптический элемент 22 представляет собой линзу, имеющую положительную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является выпуклой, и поверхность линзы со стороны изображения также является вогнутой.
Третий линзовый элемент 23 представляет собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность линзы со стороны объекта является вогнутой, и поверхность линзы со стороны изображения является плоской.
В Примере 2с в оптическом устройстве формирования изображения на основании поляризационных покрытий (см. Фиг. 7с) на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность первого оптического элемента 21, обращенная к объекту последовательно нанесены поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) и четвертьволновая пластина (QWP), а на плоскую поверхность третьего оптического элемента 23, обращенную к изображению, нанесен слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Все конструктивные параметры устройства согласно Примеру 2а (см. Таблица 2 и пояснения к Таблице 2, а графики на фиг. 9 и пояснения к ним) полностью совпадают с параметрами оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 2с, поэтому опущены в настоящем раскрытии.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и оптического устройства захвата изображений согласно Примеру 2с обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 250 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,0 мкм, при TTL =11,37 мм и диафрагменном числе оптического многопроходного устройства формирования изображений равном 4,0. При этом максимальный угол падения света (α) на поляризатор WGP составляет 5,00 градусов, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 4, 55 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 4, 55 градусов.
Пример 3а
Согласно изобретению представлено оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.9а) на основании поляризационных элементов, выполненных в виде поляризационных покрытий, и оптическое устройство захвата изображений, включающее указанное оптическое многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. 9а).
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.9а) на основании поляризационных элементов согласно Примеру 3 включает в себя оптически сопряженные апертурную диафрагму (АД) и один оптический элемент 31, представляющий собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность указанной линзы со стороны объекта является вогнутой, а поверхность указанной линзы со стороны изображения является выпуклой.
При этом АД находится на передней поверхности указанной линзы 31.
Следует отметить, что указанная линза (31) и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC) образуют блок оптических элементов, имеющий переднюю поверхность, обращенную к объекту, на которой располагается апертурная диафрагма и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения.
В Примере 3a в оптическом устройстве формирования изображения на основании поляризационных покрытий (см. Фиг. 9а) поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) нанесен на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность оптического элемента 31 (линза), обращенная к объекту; на выпуклую поверхность оптического элемента 31, обращенную к изображению, последовательно нанесены слой (QWP)( фазовая четвертьволновая пластина (QWP)) и слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Апертурная диафрагма и оптический элемент 31 являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 30.
При этом датчик 30 представляет собой матричный фотодетектор, выполненный с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,48-0,66 мкм, а размер пиксела датчика может составлять 2,8 мкм.
Кроме того, опционально, оптическое устройство захвата изображений согласно Примеру 3а может дополнительно включать фильтр (не показан), например ИК- фильтр, расположенный между оптическим многопроходным устройством формирования изображений и датчиком. Указанный ИК-фильтр выполнен из оптического стекла и выполнен с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения.
На Фиг.10 представлены графики частотно-контрастной характеристики оптического устройства формирования изображения на основе поляризационных покрытий согласно Примеру 3а для различных точек поля (0,0°; 5,0°; 4,08°; 2,89°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота на фиг. 11 составляет 300 лин/мм, и из графиков следует, что на частоте 180 лин/мм контраст (MTF)превышает значение 0,2 для всех точек поля.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат контраст -модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий частотно-контрастную характеристику изображения.
Кривые, представленные на фиг.10, иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°; 5,0°; 4,08°; 2,89°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
В Tаблице 3 представлены конструктивные параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений, которые характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число (Fno)=5,0,
-фокусное расстояние устройства (F`)=20,0 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 5,0°,
- осевое расстояние между поверхностью оптического элемента 31 со стороны объекта и поверхностью изображения, т. е общая длина оптического устройства формирования изображения (TTL)=10,0 мм
- λ =0, 55 мкм -длина волны излучения, на которой работает указанная линза 31.
Таблица 3
F` = 20.0 мм, Fno = 5.0, HFOV=5.0 градуса, TTL=10.0 мм, λ=0.55 мкм
Радиус
Осевая толщина
Nd; Число Аббе
Макс. полудиаметр
Конич. постоянная
1 - АД
-8,05
9,00
1.52; 64.2
2,00
0,49
2
-17,45
1,00
3,30
-1,16
3 - Датчик
бесконечность
-
-
1,77
-
При этом в Таблице 3: радиус, осевая толщина, максимальный полудиаметр представлены в мм.
Нумерация поверхностей оптических элементов с 1 по 3 относится к поверхностям в порядке от объекта до изображения При этом согласно Примеру 3а в соответствии с фиг. 9а, где поверхность 1 относится к апертурной диафрагме (АД), расположенной на вогнутой поверхности оптического элемента 31, представляющего собой линзу, и поверхности 1, 2, обозначенные в Таблице 3, относятся к оптическому элементу под позицией 31, а поверхность 3 относится к датчику 30, на рабочей поверхности, которого формируется изображение.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и оптического устройства захвата изображений согласно Примеру 3а обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 180 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,8 мкм, при TTL =10,00 мм и диафрагменном числе оптического устройства формирования изображений равном 5,0. При этом максимальный угол падения света (α ) на поляризатор WGP составляет 9,00 градусов, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 4, 76 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 4, 76 градусов.
Пример 3b
Согласно изобретению представлено оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.9b) на основании поляризационных элементов, представляющих в данном примере поляризационные покрытия, и оптическое устройство захвата изображений, включающее указанное оптическое многопроходное устройство формирования изображений и датчик (см. 9а).
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений (фиг.9b) на основании поляризационных элементов согласно Примеру 3b включает в себя оптически сопряженные апертурную диафрагму (АД) и один оптический элемент 31, представляющий собой линзу, имеющую отрицательную оптическую силу. При этом поверхность указанной линзы со стороны объекта является вогнутой, а поверхность указанной линзы со стороны изображения является выпуклой.
Следует отметить, что указанная линза (31) и поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), четвертьволновая пластина (QWP) и слой холестерических жидких кристаллов (ChLC) образуют блок оптических элементов, имеющий переднюю поверхность, обращенную к объекту, и заднюю поверхность, обращенную к плоскости изображения.
При этом АД находится на передней поверхности указанной линзы 31.
В Примере 3b в оптическом устройстве формирования изображения на основании поляризационных покрытий (см. Фиг. 9b) на переднюю поверхность блока оптических элементов, которой является поверхность оптического элемента 31 (линза), обращенная к объекту последовательно нанесены поляризатор на основе проволочной сетки (WGP) и фазовая четвертьволновая пластина (QWP); а на выпуклую поверхность оптического элемента 31, обращенную к изображению, нанесен слой холестерических жидких кристаллов(ChLC).
Все конструктивные параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений согласно Примеру 3а (см. Таблица 3 и пояснения к Таблице 3, а также графики фиг. 10 и пояснения к ним) полностью совпадают с параметрами оптического многопроходного устройства согласно Примеру 3b, поэтому опущены в настоящем раскрытии.
падения
падения
падения
Представленная конструкция и параметры оптического многопроходного устройства формирования изображений и оптического устройства захвата изображения согласно Примеру 3b обеспечивает высокое разрешение изображения, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,2 при пространственной частоте 180 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=2,8 мкм, при TTL =10,0 мм и диафрагменном числе оптического устройства формирования изображений равном 5,0. При этом максимальный угол падения света (α ) на поляризатор WGP составляет 9,00 градусов, максимальный угол падения света (α) на четвертьволновую пластину (QWP) составляет 9, 00 градусов, максимальный угол падения света(α) на слой холестерических жидких кристаллов ChLC составляет 4, 76 градусов.
Промышленная применимость
Оптическое многопроходное устройство формирования изображений и оптическое устройство захвата изображений могут широко применяться для различных компактных электронных устройств, такие как цифровая видеокамера, цифровая фотокамера, компактные камеры машинного зрения с узким полем зрения, тепловизор с камерой с узким полем зрения, смартфон, персональный компьютер, на котором установлена камера, или PDA (Personal Digital Assistant), на котором установлена камера, могут также использоваться для разработки камер для квадрокоптеров и дронов с применением фильтров RGB. При этом указанный перечень не является исчерпывающим.