Электронная дифракционная диафрагма
ELECTRONIC DIFFRACTION DIAPHRAGM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическим диафрагмам и светофильтрам, модульным трафаретным корректорам светового потока для оптических приборов и устройств согласно формулам изобретения.
Раскрытие сущности изобретения
В патентном документе раскрыто устройство и принцип действия электронно-управляемого дифракционно-диафрагмирующего элемента (ЭУДДЭ), в котором возможно изменение светопропускания и направления движения потоков света при проходе через плоскость элемента (прозрачную или отражающую перегородку) при возникновении на ней дифракционных трафаретных фигур и узоров (по тексту - Трафарет). По сути ЭУДДЭ основана на матричном оптически изменяемом элементе. При отсутствии управляющего напряжения элемент становится прозрачным (для зеркальных приборов в нерабочем состоянии может быть непрозрачным или отражающим).
В основу настоящего изобретения положена задача - совместить электронную управляемую диафрагму, светофильтр и оптический корректор в одном устройстве, обеспечивающем быстрый отклик, возможность изменения оптических свойств в реальном или заданном времени, а также повышенное удобство использования. Устройство предлагается для встраивания его как в новые, так и существующие объективы, оптические приборы, аппараты и системы на их основе с целью расширения и изменения их характеристик.
Реализована возможность частичного или полного светопропускания, управления интенсивностью светового потока (яркость, контраст, тон и др.), изменения направления движения света, изменения цвета областей светового потока (формируемого изображения), изменения фокуса и глубины резкости изображаемого пространства объектива, корректировка сразу нескольких перечисленных параметров оптического прибора.
Краткое описание чертежей
Рисунок 1. Электронно-управляемый дифракционно-диафрагмирующий элемент (ЭУДДЭ) содержит корпус устройства (1), в котором находится управляющий блок на интегрированной схеме (2), система контактов (3 – контактный шлейф) со светоуправляющим (моделирующим) электронным элементом (4)(по тексту может встречаться поверхность или плоскость ЭУДДЭ), выполненным с возможностью частичного или полного затемнения, изменения цвета, а также создания преломления и отражения на заданных областях элемента посредством электронного управления. Управляющий блок (2) может иметь ручное, автоматическое или полуавтоматическое управление на основе принимаемых данных от других технических устройств, может содержать блок памяти для предустановленных или задаваемых вручную режимов. Сопряжённая система блока управления (2) может быть аналоговой, цифровой, иметь дискретное или дистанционное переключение режимов, то есть может управляться различными типами и видами сигналов. Размеры и форма светоуправляющего электронного элемента (4) варьируется при использовании с различной оптической техникой и различными видами установки. Устройство ЭУДДЭ разных размеров предназначено для установки внутри или снаружи телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, объективов, телескопов, приборов, а также в адаптерах, соединяющих между собой различные оптические аппараты и системы.
Светоуправляющий дифракционный электронный элемент ЭУДДЭ (4) может быть различной формы, может состоять из нескольких управляющих слоёв и иметь внутренние полости или пустоты (5), состоять из сегментов, предпочтительно использование формы прямоугольника (поз. A) или окружности (поз. B).
По мере развития данной технологии планируется использовать сферические (поз. E), конусные (поз. F), пирамидальные (поз. D), эллипсоидные и другие объёмные формы светоуправляющего элемента ЭУДДЭ (4). Такие сложные трёхмерные формы смогут лучше управлять направлением движения, полярностью и интенсивностью световых лучей (объёмные электронные дифракционные диафрагмирующие элементы - ОЭДДЭ).
Эти дифракционные диафрагмирующие элементы ЭУДДЭ основаны на технологии управления света (модуляции) - полного или частичного управляемого затемнения и преломления световых лучей при построении изменяемых трафаретных фигур и узоров на прозрачной или отражающей перегородке, которые описаны в контексте данного патентного решения. Светоуправляющий электронный элемент ЭУДДЭ (4) может быть выполнен с помощью таких технологий, как жидкокристаллические элементы и индикаторы (ЖКИ), на основе электрофоретической технологии (электронных чернил), микроэлектромеханических систем (МЭМС), цифровых микрозеркальных устройств или изменяемых оптических метаматериалов, а также иных управляемых индикаторных технологий. Главным свойством светоуправляющего электронного элемента ЭУДДЭ должна быть возможность модуляции - управление потоками света на микро и нано уровне, на всей или выбранной площади устройства (ЭУДДЭ). Для ЭУДДЭ предпочтительно использование доступных и распространённых ЖКИ элементов. В зеркальных объективах и зеркальных оптических приборах для создания подобных специальных эффектов лучше применять элементы на основе отражения от перегородки ЭУДДЭ - микрозеркальные устройства, МЭМС и технологию управляемого электрофореза.
Рисунок 2. ЭУДДЭ устанавливается в оптической системе, состоящей из светочувствительного элемента (по тексту - Сенсор), оптических и механических элементов объектива (линз). Сенсор (6) оптической системы может быть выполнен как в виде светочувствительного химического слоя (фотоплёнка), так и в виде светочувствительной матрицы аналогового или цифрового аппарата, а также может быть выполнен другими способами, и не является предметом описания данного патентного решения.
- Внутренняя установка (I) электронно-управляемого дифракционно-диафрагмирующего элемента может быть более предпочтительной – встраивание ЭУДДЭ (4.а) в объектив или аппарат рядом или вместо основного диафрагмирующего или затворного устройства, объектива или оптического прибора. Таким образом, ЭУДДЭ выполняет функцию основной или вспомогательной диафрагмы, то есть является электронной дифракционной диафрагмой (ЭДД) и может управлять апертурой оптического прибора. При такой установке ЭУДДЭ дополнительно может регулировать оптическую систему и менять характеристики получаемого изображения (резкость, яркость, контраст, цвет, аберрации, фокус и др.).
- Внешняя установка (II) осуществляется снаружи объектива, камеры. Монтаж осуществляется с помощью переходника на резьбу светофильтра или прямоугольной вставки (4.б), таким способом ЭУДДЭ выполняет роль светофильтрующего и регулирующего световой поток устройства перед основным (принимающим) объективом. Таким образом можно осуществлять яркостно-контрастную, цветовую, диоптрийную, аберрационную и другие виды оптической коррекции передней линзы прибора или аппарата, соответственно и всей существующей оптической системы.
- Промежуточная установка в адаптере (III) между объективом и аппаратом (сенсором). В этом случае используются ответные системы монтажа под разные виды аппаратных байонетов. Элемент ЭУДДЭ находится в связующем адаптере (4.в), может являться переходником для разных оптических приборов и систем. Также может непосредственно устанавливаться рядом со светочувствительным элементом (Сенсором). Таким способом можно изменять и регулировать свойства существующей оптической системы (резкость, яркость, контраст, цвет, аберрации, фокус).
- Установка в зеркальных объективах (IV), рефлекторных телескопах и системах, где ЭУДДЭ может являться электронно-управляемым дифракционным диафрагмирующим зеркалом (4.г), и заменяет одно из отражающих зеркал (может быть выполнено на основе МЭМС, цифровых микрозеркальных устройств или на основе электрофоретической технологии жидких чернил). Кроме ранее перечисленных функций регулировки, такая установка сможет в реальном времени корректировать изображение (дальних или близких объектов) при использовании дополнительных данных для коррекции.
Рисунок 3. На Рис. 3 обозначены возможные виды корректирующих трафаретных шаблонов. Частичное тоновое (поз. G) радиально-градиентное затемнение центра (8) - для выравнивания освещенности собранного света на площади светочувствительного материала и уменьшения эффекта виньетирования. Дифракционные точечные окружности по краю элемента (10) - для увеличения резкости краев кадра и удаления аберраций (поз. I). Градиентные переходы трафарета (9) - для нейтрализации области засветки (поз. H - как монохромные, так и цветные). Возможно создание шаблонов на основе поступающей информации от сенсора аппарата в реальном времени, для затемнения пересвеченных зон (на основе аналоговой или цифровой информации, например, от данных передаваемых аппаратом по RGB, HDMI, VGA и др.). Для разных типов объективов и оптических приборов в памяти блока управления создаются предустановленные или задаваемые вручную режимы работы - шаблоны трафаретов для различных объективов и аппаратов.
Рисунок 4. Показано использование устройства ЭУДДЭ в качестве электронно-управляемой дифракционной диафрагмы различных форм. Изменение диафрагмы может происходить во всех основных, дополнительных и комбинированных режимах работы устройства (динамическом, художественном, заданном, ступенчатом, градиентном, корректирующем и фокусирующем). Закрытие диафрагмы может создаваться уменьшением прозрачности (затемнением) площади ЭУДДЭ (11). В зоне прозрачности (12) могут оказаться произвольные фигуры, такие как круг (поз. J), кольцо, овал (поз. K), квадрат, ромб (поз. L), треугольник и другие заданные или абстрактные (поз. Kx) формы. Они могут иметь одну ось фигуры прозрачности (12) или быть многоосевыми (поз. Jx). Разные формы диафрагмы дают различные художественные блики и другие специальные эффекты с изображением на сенсоре аппарата или другом светочувствительном элементе. В зоне нерезкости изображения, собранного на сенсоре, блики схожи по форме с контуром рисунка диафрагмы оптического прибора.
Рисунок 5. Показаны классические стадии ступенчатого открытия круговой диафрагмы на элементе ЭУДДЭ (позиции I-II-III). При открытии диафрагмы, площадь незатемнённого круга (12) увеличивается в двух перпендикулярных направлениях равномерно, при этом ось прозрачного круга и ось основного объектива или оптического прибора совпадают. Ось незатемнённой фигуры может не совпадать с другими осями оптической системы (быть децентрированной – Рис. 4, поз. Lx), а уменьшение или увеличение площади затемнения может так же происходить в разных направлениях неравномерно или абстрактно (Рис. 4, поз. Kx).
Рисунок 6. Частный пример ЭУДДЭ - неравномерное открытие электронной диафрагмы. Представлены стадии открытия(уменьшения затемнения) электронно-управляемого дифракционно-диафрагмирующего элемента в вертикальном направлении (горизонтальное направление остаётся неизменным, позиции M-N-O-P). При этом блики в области размытия получаемого изображения на сенсоре так же вытягиваются, уменьшается общая резкость и глубина резкости изображаемого пространства (ГРИП), увеличивается освещённость изображения. Для коррекции изменений резкости и ГРИП, можно дополнительно выводить на элемент кольцевой Трафарет (13), нормализующий изображение (поз. P), при этом формы бликов изображения на сенсоре останутся овальной формы. При плавных переходах форм на ЭУДДЭ можно создавать динамические специальные эффекты изображаемого пространства на светочувствительном элементе, оставляя общую освещённость и резкость в заданных или запрограммированных диапазонах. Как было описано ранее, возможны открытия и закрытия электронно-управляемой дифракционной диафрагмы в разных направлениях, с созданием различных фигур незатемнённых участков в разных областях светоуправляющего элемента.
Рисунок 7. Использование ЭУДДЭ в качестве художественных светофильтров в основном в динамическом, художественном, заданном и комбинированном режимах работы, имеющих лучевые (звёздные (поз. S), полосатые (поз. R)), кольцевые (радиальные), и другие трафаретные линии (11). Остальная область элемента остаётся прозрачной (12). Эти линии затемнения (11) элемента рассеивают свет, идущий в объектив, в виде длинных тонких лучей. Если линии затемнения (11) на ЭУДДЭ расположены вертикально (поз. Q), получаются горизонтально ориентированные лучи от света на сенсоре аппарата. При расположении на ЭУДДЭ горизонтальных затемняющих линий (поз. R), на светочувствительный элемент направляются вертикально ориентированные лучи. То есть специальный эффект получается на сенсоре перпендикулярным трафаретным линиям на ЭУДДЭ. Эффект создаётся в более заметной степени от сильных точечных источников света. Можно менять интервал между линиями, их толщину и длину, таким образом изменять интенсивность и силу художественного эффекта; чем меньше расстояние между линиями, чем они длиннее и толще, тем интенсивнее, длиннее и ярче будут лучи на сенсоре. В динамическом виде работы блока управления можно создавать видимость вращения трафаретных линий на ЭУДДЭ вокруг заданных осей, изменять количество линий и создавать другие возможные вариации специальных лучевых эффектов на сенсоре.
Рисунок 8. Формирование на поверхности ЭУДДЭ (4) диффузионных (поз. X), дифракционно-радиальных (поз. T) и дифракционно-точечных (поз. U), туманных (поз. V), комбинированных (поз. W) и сложно-интерференционных светофильтрующих трафаретов, как монохромных, так и цветных. Они предназначены для расфокусировки или размытия световых лучей, создания зон нерезкости и ореолов свечения контуров собираемого изображения на сенсоре. В основном в этом пункте описан художественный, корректирующий, градиентный, и комбинированный режим работы (на основе всех основных и дополнительных режимов).
Рисунок 9. При применении очень плотно расположенных многоэлементных (многоиндикаторных) ЭУДДЭ возможно воспроизведение комбинированных и сложно-интерференционных трафаретов, изменяющих фокусировку всей оптической системы (поз. Z) или выбранной её части (поз. Y), что позволяет осуществлять регулировку зоны резкости, изменять фокусное расстояние оптического прибора. В основном эти трафареты формируются на элементе на следующих режимах - корректирующий, фокусирующий и комбинированных (т.е. на основе всех основных и предустановленных режимов работы ЭУДДЭ).
Осуществление изобретения
В контексте данного патента описаны основные принципы работы устройства и показаны примеры создания специальных эффектов. Эти задачи решены электронно-управляемым дифракционно-диафрагмирующим элементом (ЭУДДЭ) и комбинированными системами на их основе.
Система, основанная на ЭУДДЭ, может иметь больше настроек и заданных параметров, формировать на своей поверхности различные вариации показанных типов трафаретных узоров, образов и создавать другие виды работ. Устройство с данными параметрами готово к пробной эксплуатации и имеет целесообразность к практическому опытно-промышленному применению для развития своих функциональных возможностей в потребительском секторе оптических приборов. Представляет интерес в первую очередь для фотографов, фотолюбителей, видео и кинооператоров, киномехаников, астрономов и пользователей лазерных, голографических и других оптических приборов.
Некоторые примеры использования устройств с ЭУДДЭ
1. В зависимости от вида установки ЭУДДЭ может являться электронно-дифракционной диафрагмой и выполнять функцию основной или дополнительной апертурной диафрагмы, может менять значение апертуры оптического прибора или объектива, а так же выполнять функцию полевой диафрагмы (диафрагмы поля зрения). При этом элемент ЭУДДЭ так же может осуществлять яркостно-контрастную, диоптрийную, аберрационную и другие виды оптической коррекции передней линзы прибора, может являться переходником для разных оптических приборов и систем, заменять одно из отражающих зеркал (рис. 2) или линз. Элемент ЭУДДЭ может устанавливаться в оптический прибор или объектив или аппарат рядом или вместо основного диафрагмирующего или затворного устройства; либо устанавливаться снаружи объектива, оптического прибора или камеры; либо устанавливаться между оптическим прибором или объективом и аппаратом или сенсором; либо заменять одно из отражающих зеркал в зеркальных объективах, рефлекторных телескопах и системах. Так же может устанавливаться непосредственно в аппарате рядом с Сенсором.
2. Использование поверхности элемента ЭУДДЭ для формирования корректирующего трафарета во всех режимах работы устройства. Корректирующий трафаретный рисунок (шаблонный узор) может быть градиентным, радиальным, сложно-дифференцированным, абстрактным и заданной предустановленной формы. Функция градиентного и корректирующего режима работы необходима для выравнивания интенсивности собираемого светового потока на сенсоре, коррекции аберраций, зон резкости и виньетирования различных оптических приборов, а также коррекции яркости и контраста, замены цвета и тона всего изображения или выделенной его части, расширения динамического диапазона получаемого изображения (рис. 3).
3. Использование устройства ЭУДДЭ в качестве электронно-управляемой диафрагмы различных трафаретных форм. Изменение  диафрагмы может происходить во всех основных и дополнительных режимах. В зоне прозрачности могут быть различные фигуры. Разные формы диафрагмы (прозрачные трафаретные фигуры) дают различные специальные эффекты изображения (блики) в зоне расфокусировки, близкие по форме с контуром фигуры диафрагмы. Предусмотрены как мгновенные переключения форм (фигур прозрачности диафрагмы), так и плавные или ступенчатые (динамические, ступенчатые, заданные и др. режимы работы) (Рис. 4 и Рис. 5).
4. Пример использования комбинированных функций ЭУДДЭ для формирования мультиапертуры (несколько трафаретов диафрагм на одном ЭУДДЭ). Создание нескольких отдельно управляемых зон прозрачности для регулировки светового потока на несколько направлений. ЭУДДЭ с мультиапертурной (многоосевой) формой диафрагмы может использоваться с одним объективом на нескольких сенсорах, использоваться для нескольких объективов на одном сенсоре или являться одной связующей электронной диафрагмой для нескольких объективов и сенсоров (поз. Jx Рис. 4).
5. Пример использования комбинированных функций ЭУДДЭ во всех режимах работы. Неравномерное открытие диафрагмы совместно с формированием на плоскости дополнительных трафаретных фигур для коррекции резкости и других характеристик, нормализующих изображение и не меняющих форму бликов в зоне нерезкости (форму контуров в области расфокусировки) (Пример Рис. 6 поз.O и поз.P).
6. Как было описано ранее, возможны открытия и закрытия элемента ЭУДДЭ как электронно-управляемой дифракционной диафрагмы в разных направлениях, с созданием различных фигур незатемнённых участков в разных областях светоуправляющего элемента (например, Рис. 6 поз.M и поз.N). При плавных переходах форм трафарета на ЭУДДЭ можно создавать динамические специальные эффекты изображаемого пространства на светочувствительном элементе, оставляя общую освещённость и резкость в заданных или запрограммированных диапазонах, но с изменением контуров бликов.
7. Использование ЭУДДЭ в качестве художественных фильтров для создания лучевых линейных, кольцевидных, радиальных, спиральных и других трафаретных линий. Специальный эффект получается на сенсоре за счёт преломлений и отражений лучей на плоскости ЭУДДЭ. При изменении интервала, толщины, формы и расположения линий меняется художественный эффект от точечных источников света. Использование эффекта возможно в основном в динамическом, художественном, заданном и комбинированном режимах работы. Существует возможность динамической смены эффекта, например, создание видимости вращения трафаретных линий на ЭУДДЭ, что создаст специальный эффект на Сенсоре прибора. (Рис. 7).
8. Использование ЭУДДЭ в качестве художественных светофильтров в основном в динамическом, художественном, заданном и комбинированном режимах работы для создания эффектов специальной расфокусировки (размытия), создание зон нерезкости или ореолов свечения контуров всего или части изображения на сенсоре (рис. 8). За счёт формирования диффузионных, дифракционных и комбинированных сложно интерференционных светоформирующих трафаретов.
9. При применении очень плотно расположенных многоэлементных (многоиндикаторных) ЭУДДЭ возможно воспроизведение комбинированных и сложно-интерференционных трафаретов, изменяющих фокусировку всей оптической системы или выбранной её части, что позволяет осуществлять регулировку зоны резкости, изменять фокусное расстояние оптического прибора. Увеличивать или уменьшать общую и контурную резкость получаемого изображения на сенсоре, менять фокусное расстояние оптического прибора (рис. 9).