Адаптивная оптическая система
Устройство относится к многослойным изделиям с переменным пропусканием и/или отражением электромагнитного излучения определенных диапазонов длин волн в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Состоит как минимум из двух защитных слоев; слоя материала, изменяющего окраску; слоя материала, корректирующего окраску (цветовой тон/насыщенность); проточного микрофлюидного устройства с системой микроканалов или двух токопроводящих слоев. Изменение окраски рисунка (изображения) происходит либо под действием управляемого электрического потенциала участка поверхности активного слоя, либо во время циркуляции по микроканалам жидкости определенного химического состава, концентрации и температуры. Перекачиваемая по микроканалам жидкость может быть хладагентом для уменьшения интенсивности инфракрасного излучения. Устройство применяется в производстве средств маскировки, маскировочных сеток, камуфлированных тканей и одежды, а также дисплеев и оптических фильтров. 1 н.з. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 3 прим.
Устройство относится к многослойным изделиям с переменным пропусканием и/или отражением электромагнитного излучения определенных диапазонов длин волн в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра и представляет собой адаптивную оптическую систему, в которой по специальному алгоритму изменяются во времени окраска и ее интенсивность и/или температура многофункционального адаптивного покрытия для обеспечения активной, непрерывной и убедительной для наблюдателя маскировки объекта на фоне местности или отображения информации. В преимущественном варианте заявляемое устройство предлагается применять в производстве средств маскировки, в том числе маскировочных сеток, камуфлированных тканей и одежды, а также дисплеев (рекламных щитов и т.п.) и оптических фильтров.
Из существующего уровня техники известны способы снижения заметности и повышения уровня защищенности наземных объектов, в том числе подвижных объектов, от обнаружения в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн /1-4/.
Сущность способа, указанного в патенте на изобретение /1/, заключается в том, что на тканевую основу нанесено несколько полимерных слоев различного цвета и толщины, образующих маскировочный рисунок в виде случайно расположенных пятен неправильной формы. Полимерные слои формируют рельефную поверхность материала с глубиной рельефа 0,55 мм. Указанный маскировочный материал обеспечивает снижение заметности в видимом диапазоне длин волн за счет имитации трехмерной фактуры естественных фонов, который соответствует по своему контрасту светотеневому рисунку естественного фона, и это соответствие сохраняется при изменении интенсивности и характера естественного освещения.
Однако не всегда окраска или оттенок маскировочного рисунка в виде случайно расположенных статичных пятен неправильной формы совпадает с фоном местности, что является существенным недостатком указанного технического решения.
В способах, указанных в патентах на изобретения /2-3/, предлагается техническое решение адаптации маркировочного рисунка к фону местности, которое заключается в том, что на поверхности подвижных объектов располагают адаптивное маскировочное покрытие. Фон местности предварительно регистрируют цифровой многоспектральной фотокамерой с выносным объективом, установленной либо за маскируемым объектом /2/, либо перед маскируемым объектом на беспилотном летательном аппарате /3/. Полученные с фотокамер данные обрабатывают и вырабатывают управляющие команды посредством ЭВМ на изменение окраски адаптивного маскировочного покрытия в соответствии с фоном местности. В качестве адаптивного маскировочного покрытия предлагают использовать: размещенный на маскируемой поверхности объекта плазменный экран, на котором проецируется изображение местности за объектом; или лазерный мультимедийный проектор, который проецирует изображение местности за объектом на маскируемую сторону объекта; или многофункциональное капиллярное покрытие объекта.
Многофункциональное капиллярное покрытие объекта, указанное в патенте на изобретение /2/, является наиболее близким техническим решением (прототипом) по отношению к заявляемой адаптивной оптической системе. Вышеуказанное маскировочное многофункциональное капиллярное покрытие объекта (прототип) состоит из трех мини-компрессоров, которые управляются по программе, заложенной в ЭВМ, резервуаров с цветными жидкостями (не менее трех основных цветов) и прозрачных капиллярных сосудов, размещенных в материале покрытия. Компрессоры регулируют скорость подачи жидкости из соответствующих резервуаров в прозрачные капилляры. Толщина капиллярных сосудов определяется разрешаемым углом наблюдения, который зависит от дальности маскировки - чем выше дальность наблюдения, тем больше диаметр капилляров. Жидкость в капиллярах циркулирует по кольцевой схеме и позволяет регулировать процесс адаптивного изменения контраста маскировочного покрытия объекта на фоне местности, который фиксируется фотокамерой и обрабатывается в ЭВМ, до достижения установленного порога. Маскировочное окрашивание возникает за счет аддитивного пространственного смешения исходных цветов при слитном наблюдении разноцветных штрихов, точек или других фигур, угловые размеры которых меньше разрешаемого угла.
Следует указать на тот факт, что данное техническое решение позволяет замаскировать объекты только от наблюдателей или систем видеонаблюдения, находящихся на борту летательного аппарата (беспилотного летательного аппарата, самолета, вертолета и прочих аппаратов, применяемых в воздухоплавании). У данного типа камуфляжа имеется минимальный критерий, так называемый нижний порог высоты, с которой становится видна капиллярная структура покрытия, поэтому маскируемый объект может быть Обнаружен наблюдателем или системой видеонаблюдения, что является существенным недостатком указанного технического решения.
Отдельной проблемой для данного вида систем является промывка капилляров при засорении капилляров, высыхании краски или изменении цветовой гаммы рисунка, что также является недостатком указанного технического решения. Создание многоцветных рисунков (изображений) по методу прототипа с высокой разрешающей способностью (малый размер пикселя), является более сложным техническим решением, так как при изменении окраски отдельного пикселя в рисунке требуется подводка жидкости нужно цвета к каждому отдельному пикселю или их группам.
В противоположность прототипу для обеспечения активной, непрерывной и убедительной маскировки объекта на фоне местности для наблюдателя и/или систем автоматического анализа видеопотока в заявляемом устройстве изображение формируется набором изолированных друг от друга малых областей (пикселей) в результате изменения их окраски и ее интенсивности под действием электрического тока, либо при заполнении прозрачного проточного микрофлюидного устройства с системой микроканалов раствором определенного химического состава и/или температуры, заранее приготовленном в отдельных устройствах (хемостатах и/или термостатах), а не в результате смешивания цветных жидкостей, протекающих по капиллярам.
Целью изобретения полезной модели являлось создание многофункционального адаптивного покрытия для маскировки и отображения информации, обладающего относительно высокой скоростью изменения окраски и ее интенсивности во времени. При этом устройство должно быть относительно прототипа гибким; иметь относительно прототипа высокую механическую прочность и низкое энергопотребление.
Сущность полезной модели заключается в том, что заявляемое устройство с переменным пропусканием и/или отражением электромагнитного излучения определенных диапазонов длин волн состоит из слоев, приведенных ниже и на Фиг. 1-2:
- антиотражающего или рассеивающего слоя;
- верхнего прозрачного защитного слоя (контрподложка);
- одного или нескольких слоев корректирующего окраску (цветовой тон/насыщенность) материала (МКО) в виде раствора, расплава, твердой или гелевой композиции;
- одного или нескольких слоев изменяющего окраску материала (МИО) в виде окислительно-восстановительных и/или комплексообразующих систем;
- прозрачной или окрашенной мембраны;
- проницаемого окрашенного слоя;
- нижнего прозрачного или непрозрачного защитного слоя (подложка-носитель);.
- токопроводящих слоев или сетчатых электродов, которые наносятся на контрподложку или подложку-носитель с тыльной стороны.
Антиотражающий или рассеивающий слой (в одном из вариантов применения может отсутствовать, далее в тексте - может отсутствовать) представляет собой тонкий слой (пленку) из диэлектрического материала специально подобранной толщины или морфологически измененную поверхность полимерной контрподложки. Антиотражающий или рассеивающий слой предназначен для уменьшения отражения от поверхности устройства падающего излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. В одном из вариантов применения антиотражающий или рассеивающий слой может включать в себя другие функции, такие как функцию контроля внешнего излучения, в том числе солнечного; и/или функцию самоочищения; и/или функцию переизлучения, в том числе люминесцентного излучения. Так, антиотражающий или рассеивающий слой может содержать, по меньшей мере, одно из следующих покрытий: покрытие, поглощающее и/или отражающее, по меньшей мере, часть волн, находящихся в инфракрасном спектре (противосолнечное или низкоэмиссионное покрытие); гидрофильное или гидрофобное покрытие; фотокаталитическое покрытие для снижения загрязнений; противобликовое покрытие; магнитоэкранирующее покрытие и пр.
Контрподложка и подложка-носитель представляют собой диэлектрический полимерный материал, изготовленный из синтетических полимерных материалов, например, из полиэтилентерефталатной пленки (ПЭТ), с внутренней стороны которых методом лазерной абляции (лазерной гравировки) получают прозрачное проточное микрофлюидное устройство с системой микроканалов (может отсутствовать) и/или вводят или формируют сетчатый электрод (может отсутствовать), и/или методом вакуумной металлизации с применением магнетрона наносят прозрачный токопроводящий слой (может отсутствовать), обеспечивающий необходимые адсорбционные и радиофизические свойства поверхности. Прозрачный токопроводящий слой и/или сетчатый электрод могут быть выполнены в виде ITO (оксид индий-олова) и других электропроводящих стекол, а также в виде плетенной металлической сетки из микропроволоки, в частности, из золота, серебра, меди, никеля, или металлизированной полимерной сетки, покрытой теми же металлами.
Корректирующий окраску (цветовой тон/насыщенность) материал (МКО) в виде раствора, расплава, твердой или гелевой композиции представляет собой смесь веществ, обратимо выделяющих и/или поглощающих комплексообразующие ионы и/или молекулы при пропускании электрического тока, и/или создании разности потенциалов, и/или подачи раствора по микроканалам.
Изменяющий окраску материал (МИО) в виде окислительно-восстановительных и/или комплексообразующих систем представляет собой жидкую или твердую композицию, обратимо изменяющую окраску и ее интенсивность во времени, либо под действием управляемого электрического потенциала участка поверхности, либо во время циркуляции по микроканалам материала, корректирующего окраску (МКО), определенного химического состава, концентрации, температуры и прозрачности. Жидкая или твердая композиция содержит в своем составе такие редокс-индикаторы, кислотно-основные индикаторы, металлоиндикаторы, хемосенсорные, гидрохромные и иные материалы или их композиции, которые обратимо изменяют окраску и ее интенсивность при взаимодействии с комплексообразующими ионами (молекулами).
Прозрачная или окрашенная мембрана (может отсутствовать) представляет собой полупроницаемый разделитель слоев. Окрашенную мембрану используют для коррекции цвета материала, изменяющего окраску. Это может быть постоянной составляющей в общей окраске при использовании окислительно-восстановительных и/или комплексообразующих систем.
Проницаемый окрашенный слой (может отсутствовать) представляет собой неизменяющееся во времени изображение, в том числе частичное изображение маскировочного рисунка, которое может быть выполнено в виде случайно расположенных статичных пятен неправильной формы, или любого иного точечного однотонного, или полноцветного рисунка, либо однотонной окрашенной поверхности (окрашенной в массе) белого, серого и/или черного цвета. Для получения рисунка может быть использована как высокая или офсетная, так и глубокая или флексографическая печать. Для печати используются гидрохромные краски или краски, содержащие красители или пигменты заданного цвета.
Основной технический результат достигается в результате изменения окраски и ее интенсивности, а также температуры, в каждом пикселе многофункционального адаптивного покрытия по специальному алгоритму в соответствии с пожеланиями пользователя.
В заявляемой адаптивной оптической системе с переменным пропусканием и/или отражением электромагнитного излучения определенных диапазонов длин волн задача адаптивного управления окраской и ее интенсивностью решается за счет слоев с материалом (МИО), изменяющим спектры пропускания и/или отражения излучения во времени при изменении физико-химических свойств контактирующих с ними растворов, расплавов или гелиевых композиций, обеспечивая при этом не только эффективную маскировку, но и снижение теплового излучения.
Следует указать на то, что фон местности вокруг маскируемого объекта в заявляемом устройстве регистрируется с различных (интересующих) ракурсов одной фото- или видеокамерой, и на основании полученных снимков по специальному алгоритму с учетом технических возможностей системы (размер пикселя, диапазон изменения яркости и цветовых оттенков окислительно-восстановительных и/или комплексообразующих веществ) и подбирается оптимальное сочетание цветов и яркости для обеспечения визуального подобия выдаваемого изображения и фона вокруг него.
Таким образом, реализация заявляемого изобретения имеет более простое техническое решение, в результате которого программно-аппаратный комплекс рассчитывает} выдаваемое изображение, приближенное к окружающему маскируемый объект фону, например, к фону местности или его подобие для выбранных пользователем перспектив, по критериям, заложенным в алгоритм подстройки изображения. При этом возможно использование одного и того же алгоритма как на этапе проектирования возможного расположения, формы и размеров пикселей для моделирования определенного набора типов изображений, так и, непосредственно, при применении образца заявляемого устройства для маскировки объектов.
Механизмы адаптивного управления окраской и ее интенсивностью в слоях представлены на блок-схеме (см. Фиг. 3). Реализация устройства позволяет автоматизировать механизмы адаптивного управления окраской и повысить его эффективность. Далее настоящее изобретение подробно поясняется в Табл. 1 и на примерах реализации, которые приводятся для детализации (конкретизации, уточнения) вариантов осуществления заявляемого изобретения, но не ограничивают настоящее устройство и достигаемые технические результаты.
Пример 1. В одном из вариантов применения, в частности, для производства адаптивного камуфляжа, например, с окислительно-восстановительным управлением окраской и ее интенсивностью используют подложку-носитель и контрподложку из ПЭТ. На внутренней стороне подложки-носителя наносят изменяющий окраску материал, в состав которого входит один или несколько редокс-индикатор или их композиции. С внутренней стороны контрподложки наносят прозрачное проточное микрофлюидное устройство с системой микроканалов. По микроканалам прокачивают раствор, который подается из программируемого хемостата по специальному алгоритму. Заданную температуру раствора поддерживают в термостате.
Адаптивный камуфляж достигается в результате соответствия оттенка маскировочного рисунка фону местности. Оттенок рисунка зависит от концентрации окислителя или восстановителя, содержащегося в растворе и прокачиваемого по микроканалам. При этом окислитель и восстановитель подбираются в соответствии с редокс-индикатором. Температура раствора подбирается по специальному алгоритму и поддерживается постоянной в термостате, для того чтобы уменьшить инфракрасное излучение от объекта или его деталей, например, двигателя автомобиля, до заданного уровня.
Пример 2. В одном из вариантов применения, в частности, в производстве маскировочных сеток, тканей камуфлированных и одежды, например, с рН-управлением окраской и ее интенсивностью. В данном варианте используют подложку-носитель, например, из синтетического полиамидного волокна, с одной из сторон которого наносят прозрачное проточное микрофлюидное устройство. Поверх микрофлюидного устройства укладывают проницаемый окрашенный слой с привитым к нему материалом, изменяющим окраску (МИО). МИО содержит кислотно-основные индикаторы, которые изменяют окраску и ее интенсивность в зависимости от рН раствора, циркулирующего по микроканалам микрофлюидного устройства. На обратную сторону проницаемого окрашенного слоя нанесен набивной рисунок, защищенный верхним прозрачным слоем из ПЭТ. Раствор готовят в программируемых по специальному алгоритму хемостатах и термостатах.
Пример 3. В одном из вариантов применения, в частности, в производстве дисплеев для рекламных щитов с переменным цветовым фоном под действием управляемого процесса комплексообразования. В данном варианте используют подложку и контрподложку из стекла, например, на основе стандартного стеклопакета, внутри которого расположены функциональные слои в следующей последовательности: непрозрачный защитный слой из полихлортетрафторэтилена (ПХТФЭ) // адгезив // сетчатый электрод // корректирующий окраску материал (МКО) в виде гелевой композиции // изменяющий окраску материал (МИО), содержащий металлоиндикатор или хемосенсорный материал // прозрачная мембрана // корректирующий окраску материал (МКО) в виде гелевой композиции // токопроводящий слой // адгезив // контрподложка из стекла.
Переменный цветной рисунок достигается в результате изменения концентрации комплексообразующих ионов.
Краткое описание чертежей предлагаемого технического решения приведено на Фиг. 1-3. Данные варианты не ограничивают настоящее изобретение, являются альтернативными или комбинированными.
На Фиг. 1 приведены схемы расположения слоев и их наличие в адаптивной оптической системе:
А), под действием управляемого электрохимического потенциала и протекающего через электроды электрического тока;
Б), при заполнении прозрачного проточного микрофлюидного устройства с системой микроканалов раствором определенного химического состава и/или температуры.
На Фиг. 2 приведен пример изменения окраски маскировочного рисунка:
А). до изменения окраски;
Б). после заполнения прозрачного проточного микрофлюидного устройства с системой микроканалов раствором материала, корректирующего окраску.
На Фиг. 3 приведена блок-схема адаптивного управления окраской и ее интенсивностью.
На Фиг. 1-3 введены обозначения:
1 - антиотражающий или рассеивающий слой;
2 - верхний прозрачный защитный слой (контрподложка);
3 - прозрачное проточное микрофлюидное устройство с системой микроканалов;
4 - прозрачный токопроводящий слой и/или сетчатый электрод;
5 - слой корректирующего окраску материала (МКО) в виде раствора, расплава, твердой или гелевой композиции, обратимо выделяющего или поглощающего комплексообразующие ионы и/или молекулы, и/или реагирующего на температуру;
6 - слой изменяющего окраску материала (МИО) в виде окислительно-восстановительных и/или комплексообразующих систем, изменяющего окраску при взаимодействии с комплексообразующими ионами (молекулами) или под действием температуры;
7 - прозрачная или окрашенная мембрана;
8 - проницаемый окрашенный слой;
9 - нижний прозрачный или непрозрачный защитный слой (подложка-носитель);
10 - внешний источник электрического тока;
11 - хемостат и/или термостат.
Источники информации:
/1/ RU 2229089(13) C2, Сильников М.В. (RU) и соавторы. Маскировочный материал. Дата приоритета 09.01.2001.
/2/ RU 2309363(13) C2, Пархоменко В.A. (RU) и соавторы. Способ адаптивной маскировки объектов. Дата приоритета 20.09.2005.
/3/ RU 2412421(13) C1, Иванов В.A. (RU) и соавторы. Способ адаптивной маскировки подвижных объектов. Дата приоритета 01.12.2009.
/4/ Куликовский Э.И., Буланова А.Н., Разработка облегченных РПМ и применение их в маскировочных покрытиях (Тезисы доклада), Журнал депонированных рукописей, май (5) 2000.
Табл. 1. | ||||
Последовательность функциональных слоев и их использование в зависимости от варианта применения адаптивной оптической системы. | ||||
Слои | Устройство с переменным пропусканием и/или отражением электромагнитного излучения определенных диапазонов длин волн | |||
в видимой области спектра | в ИК-области спектра | в УФ-области спектра | ||
с использованием редокс-, металло-, термо-, кислотно-основных индикаторов, а также термохромных или гидрохромных материалов | с использованием электрохромных материалов | |||
антиотражающий или рассеивающий слой | + | + | ||
верхний прозрачный защитный слой (контрподложка) | + | + | + | + |
прозрачное проточное микрофлюидное устройство с системой микроканалов | + | + | ||
прозрачный токопроводящий слой и/или сетчатый электрод | + | |||
основной слой материала, корректирующего окраску (МКО) | + | + | + | + |
основной слой материала, изменяющего окраску (МИО) | + | + | + | + |
прозрачная или окрашенная мембрана | + | |||
дополнительный слой материала, изменяющего окраску (МИО) | +/- | + | ||
дополнительный слой материала, корректирующего окраску (МКО) | +/- | + | ||
прозрачный токопроводящий слой и/или сетчатый электрод | + | |||
проницаемый окрашенный слой | + | |||
дополнительное прозрачное проточное микрофлюидное устройство с системой микроканалов | +/- | + | ||
нижний прозрачный или непрозрачный защитный слой (подложка-носитель) | + | + | + | + |
Адаптивная оптическая система, отличающаяся тем, что представляет собой многослойное изделие, в состав которого входит один или несколько слоев обратимо изменяющего окраску материала в виде жидкой или твердой композиции, содержащего комплексообразующие и/или окислительно-восстановительные системы, и/или хемосенсорные и/или гидрохромные композиции, и, либо связанные с внешним источником электрического тока токопроводящие слои и/или сетчатые электроды и расположенную между ними прозрачную или окрашенную мембрану, контактирующую с одним или несколькими слоями твердой или гелевой композиции, либо прозрачную проточную микрофлюидную систему микроканалов, по которым прокачивают из внешнего программируемого хемостата и термостата раствор, корректирующий окраску композитного материала.
РИСУНКИ