Устройство ввода-вывода визуальной информации

 

Изобретение относится к информационной технике и может быть использовано для реализации вычислительных систем, систем построения изображения, а также оптоэлектронных модуляторов. Техническим результатом является упрощение конструкции устройства при сохранении адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит первый и второй усилители оптических сигналов, блок удвоения изображения, блок синхронизации, оптоэлектронный экран, растровый и защитные слои которого выполнены из одной пластины непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов, диаметры и взаимные расстояния которых выбирают из условия дифракции Френеля-Релея. 8 ил., 2 табл.

Устройство ввода-вывода визуальной информации относится к информационной технике и может быть использовано для реализации вычислительных систем, систем построения изображений, а также оптоэлектронных модуляторов.

Известны технические решения, связанные с воспроизведением изображения плоским экраном, например, патент РСТ WO 93/09450 от 13.05.93, патент RU №2146382 от 03.03.98 и авторское свидетельство №1656587 (приоритет 24.05.89).

Приведенные аналоги обладают недостатками.

Низкая эффективность воспроизведения изображения технического решения, описанного в патенте РСТ WO 93/09450, обусловлена выводом светового информационного потока через диффузно рассеивающий экран. Это приводит не только к нарушению направленности света за счет его рассеяния каждой точкой диффузного экрана в телесный угол 4π, но и полной потере адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту волны. Это равносильно рассматриванию объектов сквозь матовое стекло.

В патенте RU №2146382 вывод информационного светового потока осуществляют через планарный волновод с коэффициентом преломления n₁, матрицу-подложку с коэффициентом преломления n₃, слой сегнетоэлектрического жидкого кристалла с - n₄, цилиндрический волновод с - n₅ и защитную пластину - с n₆. При этом необходимо подобрать коэффициенты преломления всех слоев таким образом, чтобы информационный световой поток, пройдя все слои, сфокусировался на противоположной поверхности цилиндрической линзы, роль которой выполняет цилиндрический волновод. Реализовать на практике это крайне трудно. Кроме того, цилиндрическая линза искажает волновой фронт, вытягивая изображение вдоль образующей цилиндра.

Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению является "Устройство для ввода и вывода информации" (Авторское свидетельство SU №1656587), оптоэлектронный экран которого состоит из стеклянной подложки, слоя нижних электродов и зеркал из Аl, слоя прямоугольных волноводов из ZnO, слоя верхних электродов из Аl, фотолюминесцентного слоя из ZnAgS, направляющего слоя из кристалла ZnO, а также растрового слоя, состоящего из кварцевых микролинз и защитного слоя из стекла.

К недостаткам прототипа относятся:

1. Утрата адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны, которая неизбежна при использовании стеклянных линз.

2. Паразитное рассеяние световой энергии за счет различных показателей преломления кварца, стекла и воздуха.

3. Технологическая сложность изготовления и совмещения микролинзового кварцевого растра со стеклянным защитным экраном.

4. Фотолюминесцентный слой играет роль диффузного рассеивателя, что также приводит к утрате адекватности амплитудно-фазовой информации исходного сигнала.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции устройства при сохранение адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны.

Сущностью изобретения является то, что в устройстве ввода-вывода визуальной информации, включающем: первый усилитель оптических сигналов, оптический вход которого является информационным входом устройства, второй усилитель оптических сигналов, выход которого является информационным выходом устройства, выход первого усилителя оптических сигналов оптически связан с входом блока удвоения изображения, первый и второй выходы которого оптически связаны с входами соответственно второго усилителя оптических сигналов и оптоэлектронного экрана, блок синхронизации, выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго усилителей оптических сигналов и к оптоэлектронному экрану, выполненному в виде стеклянной подложки, на одной поверхности которой последовательно нанесены первый слой электродов и отражателей из алюминия, слой прямоугольных с сечением волноводов из ZnO, второй слой электродов из алюминия, направляющий слой из кристаллического ZnO, причем электроды и отражатели выполнены в виде полос, расположенных перпендикулярно направлению волноводов, каждая полоса первого слоя электродов, размещена в промежутке между полосами электродов второго слоя электродов, отражатели размещены между электродами первого слоя электродов, а также растровый и защитный слои, при этом растровый и защитный слои выполнены из одной пластины непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов, диаметры которых выбирают из соотношения а расстояние между соседними отверстиями - из соотношения

где d - диаметр отверстия, м;

λ - длина волны света (550 нм);

f - фокусное расстояние оптической системы (отверстия), м.

Изложенная сущность поясняется камерой-обскура [1].

Точечное отверстие в светонепроницаемом экране может, при определенном размере, играть роль многофокусной (как положительной, так и отрицательной) линзы. Выполняя в камере-обскура роль объектива, точечное отверстие обеспечивало изображению объекта резкость почти по всей глубине пространственной перспективы. Только из-за низкой светосилы отверстия и крайне низкой светочувствительности, существующих в то время фотоматериалов, камера-обскура не нашла своего применения. Светочувствительность же человеческого глаза в тысячи раз выше светочувствительности не только материалов трехвековой давности, а даже существующих материалов. Поэтому точечное отверстие в сочетании с высокой светочувствительностью глаза может быть с успехом использовано в качестве устройства для ввода и вывода оптической информации. Применимость и универсальность таких отверстий вытекает из формулы Релея [1, 2]. При прохождении света через отверстие, размеры которого во много раз превышают длину волны света, мы имеем дело с законами геометрической оптики, при этом наблюдается резкая граница между светом и тенью. При прохождении света через отверстие, размеры которого соизмеримы с длиной волны света, мы переходим из области геометрической оптики в область - волновую, где наблюдаются дифракционные явления в виде чередующихся полос (при дифракции на щели) или - концентрических окружностей (при дифракции на круглом отверстии). Но между геометрической и волновой оптиками имеется промежуточная область, которую описал Френель. Если свет проходит через круглое отверстие, размер которого соизмерим с первой зоной Френеля где d - диаметр отверстия; λ - длина волны света 550 нм; f - фокусное расстояние; то при этом происходит дифракция Френеля, если же - дифракция Франгоуфера [2]. Релей, исследуя дифракцию Френеля на отверстии камеры-обскура, ввел безразмерный коэффициент 1,95, и формула приняла определенный вид [1]

Если f выразить через оптическую силу D (диоптрий) как то (1) примет вид

Для анализа формул (1, 2) преобразуем эти функциональные зависимости в табличный вид [3].

Из табл.1 следует, что для D=1 фокусное расстояние отверстия - f=1 метру, при этом диаметр его d=1,41 мм. При таком отверстии сохраняется адекватность амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны и все предметы, расположенные в диапазоне от 1 метра до бесконечности, будут резкими и без оптических искажений, которые свойственны стеклянным линзам (дисторции, аберрации). При отверстии d=0,71 мм глубина резко изображаемого пространства будет находиться в диапазоне от 0,25 метра до бесконечости, а при d=0,32 мм - от 0,05 метра до бесконечности.

Разрешающая способность экрана с точечными отверстиями может быть рассчитана с помощью формулы Релея [4]

Формула (3) дает возможность рассчитать линейную величину релеевского предела разрешения, т.е. наименьшее линейное расстояние между двумя самосветящимися точками. Для анализа функциональной связи S=f(d) преобразуем (3) в табличный вид.

Из табл.2 видно, что чем меньше диаметр отверстия, тем меньше линейное расстояние между двумя самосветящимися точками и тем выше разрешающая способность экрана. Например, при d=1,41 мм на двухсотмиллиметровой строке поместится 100 отверстий, при d=0,71 мм - 200 отверстий, а при d=0,32 мм - 450 отверстий. То есть разрешающая способность экрана увеличивается с уменьшением диаметра отверстия, причем не линейно, а по экспоненциальному закону.

Изложение сущности поясняется вариантом реализации устройством, изображенном на чертежах, где:

- на фиг.1 изображена блок-схема устройства ввода-вывода информации;

- на фиг.2 - конструкция оптоэлектронного экрана;

- на фиг.3 - фрагмент продольного сечения волновода с электродами и зеркалами;

- на фиг.4 - фрагмент слоя волноводов с электродами;

- на фиг.5 - ход лучей в волноводе при выводе информации;

- на фиг.6 - ход лучей при вводе информации через точечные отверстия;

- на фиг.7 - схема блока синхронизации;

- на фиг.8 - фрагмент схемы коммутации электродов.

Устройство ввода-вывода информации по фиг.1 содержит оптоэлектронный экран 1, блок синхронизации 2, блок удвоения изображения 3, усилители оптических сигналов 4 и 5, оптические связи в виде волоконно-оптических жгутов 6 и электрические связи 7.

Оптоэлектронный экран по фиг.2 содержит стеклянную подложку 8, слой нижних электродов и зеркал из А1 - 9, волноводный слой - 10, слой верхних электродов из А1 - 11, направляющий слой - 12, воздушная прослойка 13, демпфирующие прокладки - 14, приемопередающая пластина из точечных отверстий в непрозрачном материале, расположенных в виде матрицы строк и столбцов - 15.

Оптоэлектронный экран по фиг.3 содержит первые (верхние) электроды - 16, вторые (нижние) электроды - 17 и зеркала - 18.

Слой волноводов с электродами по фиг.4 содержит край волноводов - 19, группы электродов - 20, прямоугольные волноводы - 21, соединительную линейку - 21а, волоконно-оптические выводы 21б.

На фиг.5 изображен волновод 10 с показателем преломления n₃ и слой 22 с показателем преломления n₄, возникающий под действием электрического поля.

На фиг.6 изображены: точечное отверстие - 16, воздушная прослойка - 13, демпфирующие прокладки - 14 и световой информационный поток - Ф.

На фиг.7 изображен блок синхронизации, содержащий генератор импульсных сигналов 23, счетчик 24, дешифраторы 25 и 26 и усилители 27-32, а также: Т₁₁, Т₁₂, t₁, t₂...t_n, T₁, T₂...T_n - тактовые сигналы.

На фиг.8 изображена схема коммутации электродов, содержащая верхние электроды - 33, нижние электроды - 34, схемы ключей 35 и 36 и схемы ключей на полевых транзисторах 37 и 38.

Устройство ввода-вывода информации функционирует следующим образом.

Устройство осуществляет вывод поступающей по каналу связи информации в виде цветного объемного изображения на оптоэлектронный экран, а также одновременный ввод (с использованием разделения по времени) цветного объемного изображения через оптоэлектронный экран для его передачи по каналам связи (фиг.1).

При выводе информации на экран оптические сигналы, поступающие по жгуту из N оптических волокон, сначала усиливаются в усилителе 4 (фиг.1), в качестве которого может быть использован, например, электронно-оптический преобразователь. Пройдя через блок 3, представляющий собой оптическое устройство для удвоения изображения в виде раздвоения волоконно-оптических жгутов, оптические сигналы через соединительную линейку 21а поступают в N волноводов 21 оптоэлектронного экрана (фиг.4). В соответствие с тактовыми импульсами, вырабатываемыми блоком синхронизации 2 (фиг.1), происходит последовательное по тактам подключение нижних (по сигналам T₁ и Т₂...Т_n...) и верхних (по сигналам t₁, t₂...t_n) групп электродов к источнику напряжения Е. При этом в течение каждого промежутка времени Δ_t=t₂-t₁=t_i+1-t_i (I∈n) возникает электрическое поле между соответствующими парами верхних и нижних электродов (фиг.8). В результате этого изменяется показатель преломления изотропной среды той области волновода 10 (фиг.3), которая расположена между данной парой верхних и нижних электродов (на фиг.3 эта область выделена пунктирной линией). В результате в толще каждого из N волноводов, имеющих показатель преломления n₃, возникают области с показателями преломления n₄, где n₃-n₄=0,5, что вызывает изменение хода лучей, распространяющихся в волноводах, и их выход через верхнюю грань волновода, как показано на фиг.5. При выводе информации покинувшие волновод световые лучи от множества m соседних электродов проходят через направляющий слой 12 и фокусирующее отверстие 16 выводятся в пространство, формируя объемное изображение (фиг.6). Число m определяется соотношением диаметров точечных отверстий d, линейной величиной релеевского предела разрешения s и числом, расположением под отверстием, волноводов. Для получения качественного изображения число m должно быть не менее 25. При этом под каждым отверстием имеется область, состоящая из m волноводов, пересеченных m электродами, и каждое отверстие формирует из m×m световых потоков микроизображение со своим параллаксом. С целью формирования микроизображения в пределах площади под отверстием следует соблюдать условие (1), численные значения которого приведены в табл.1. Предлагаемое устройство ввода вывода информации не требует каких-либо специальных мер для воспроизведения цветных изображений. За счет сохранения адекватности амплитудно-фазовой информации световых потоков на входе и выходе изображения будут такими же цветными, как в камере-обскура.

Так как каждый электрод пересекает все N волноводов, в каждый момент времени t₁, t₂...t_n формируется столбец изображения на оптоэлектронном экране, и за время Т=Σt_i формируется кадр изображения.

При воде информации оптические сигналы, поступающие из внешней среды на оптоэлектронный экран, воспринимаются каждым отверстием. Считывание кадра изображения и его передача по каналам связи производится последовательно по столбцам аналогично выводу информации. Операции ввода-вывода разделены по времени сигналами Т₁₁, T₁₂ блока синхронизации, которые управляют работой усилителей 4 и 5 в каналах ввода-вывода (фиг.1). Поскольку все элементы устройства являются линейными, процесс преобразования оптических сигналов при вводе информации аналогичен процессу вывода информации.

Реализация предлагаемого технического решения обеспечивает: упрощение конструкции ввода вывода информации при сохранении адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны; увеличение глубины резко изображаемого пространства, практически от долей метра до бесконечности, а также сохранение цветности изображаемых объектов

Источники информации

1. Фабрикант В.А. Камера-обскура. В кн.: Физический словарь. /Под ред. проф. Беликова Л.Н., т 2. М., 1937.

2. Большая советская энциклопедия. Изд. 3-е. М., 1972. Т. 8, с.326.

4. Патент RU №2150136. Очки для защиты и профилактики органов зрения. Заявл. 27.09.96. №96119295. Опубл. в БИ №15, 27.05.2000.

5. Большая советская энциклопедия. Изд. 3-е. М., 1975. Т. 21, с.430.

Формула изобретения

Устройство ввода-вывода визуальной информации, включающее первый усилитель оптических сигналов, оптический выход которого является информационным входом устройства, второй усилитель оптических сигналов, выход которого является информационным выходом устройства, выход первого усилителя оптических сигналов оптически связан с входом блока удвоения изображения, первый и второй выходы которого оптически связаны с входами соответственно второго усилителя оптических сигналов и оптоэлектронного экрана, блок синхронизации, выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго усилителей оптических сигналов и к оптоэлектронному экрану, выполненному в виде стеклянной подложки, на одной поверхности которой последовательно нанесены первый слой электродов и отражателей из алюминия, слой прямоугольных с сечением волноводов из ZnO, второй слой электродов из алюминия, направляющий слой из кристаллического ZnO, причем электроды и отражатели выполнены в виде полос, расположенных перпендикулярно направлению волноводов, каждая полоса первого слоя электродов размещена в промежутке между полосами электродов второго слоя электродов, отражатели размещены между электродами первого слоя электродов, а также растровый и защитный слои, отличающееся тем, что растровый и защитный слои выполнены из одной пластины непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов, диаметры которых выбирают из соотношения a расстояние между соседними отверстиями - из соотношения s=1,21λf/d,

где d - диаметр отверстия, м;

λ - длина волны света, 550 нм;

f - фокусное расстояние оптической системы (отверстия), м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8