Фрактальное построение структур в современных приборах ночного видения

Abstract. Currently, diffractive optical elements are used to perform a variety of optical transformations, while suggesting only with the phase of the transmitted electromagnetic wave. In the modern world, the use of PNV has become ubiquitous. But, the quality of the resulting image on the electron-optical converter and the CCD-matrix desires better, while operating the night vision device, various optical aberrations and interference arise during the generation of the relief. The method of modifying modern PNV differs radically from the proposed wound. A special feature of this method is the use of modern mathematical apparatus and the application of the theory of fractals and chaos - these data sections of science in order to improve optoelectronic devices.

Ключевые слова: фрактал; прибор ночного видения (ПНВ); оптоэлектронника; дифракция; зонная пластинка; фотонный кристалл

Keywords: fractal; night vision device (NVV); optoelectronics; diffraction; zone plate; photonic crystal

Введение. В настоящее время применение приборов ночного видения во время боевых действий, охоты – повсеместно, что позволяет получить более высокие результаты скрытности и обнаружения скрытных объектов в ночное время суток. Но, качество получаемого изображения на электронно-оптическом преобразователе и ПЗС-матрице желают лучшего, во время работы прибора ночного видения на экране возникают различные оптические аберрации и помехи при генерации рельефа. Преимущество использования фрактальных дифракционных решеток и фотонных кристаллов [3] полученных на их основе в уменьше­нии количества аберраций и более «чистом» полученном изображении.

Основная часть. В современных ПНВ используются дифрак­ционные решетки которые позволяют создавать так называемые «фазовые профили структуры» в последствии получая конечное изображение на экране. Правда, возникают ограничения реализации данных преобразований, отсутствует электронная возможность получить более детальный микрорельеф, возникает погрешность соизмеримая с длиной волны и менее.

Для улучшения современных ПНВ предлагается использовать фрак­тальную дифракционную решетку или фотонный кристалл полученный на основе фрактальной структуры. Фрактальный подход к построению геометрических транспарантов, фазовых пластин и матриц позволяют синтезировать графические голограммы, которые позволяют проявлять более глубокие детали рельефа и уменьшить аберрации конечного изображения.

Для моделирования фрактальной зонной пластинки нужного диаметра воспользуемся длиной Талбота:

,                                                                                                              (1)

где:   d- период фрактальной дифракционной решетки [2].

Применим длину Талбота к ковру Серпинского и сетке Браве
2-го класса. В результате получим следующие математические модели фрактальных дифракционных решеток:

а)                                                           б)

Рисунок 1. Ковер Серпинского (а) и рациональная фрактальная графика аналог сетки Браве 2-го класса (б)с шагом в длину Талбота

Колебания, возбуждаемые в фокусной точке, фрактальной решетки, совпадают по амплитуде и отличаются по фазе. Для каждой пары соседних щелей сдвиг фаз Δφ₀ между этими колебаниями одинаков [1]. Он зависит от длины волны λ и разности хода лучей от сходственных точек щелей:

                                                                                                       (2)

Следовательно уравнение колебания на фрактальной дифракцион­ной решетке в последствии дает возможность получить фотонный кристалл с помощью 3D-моделирования [3].

Такая картина описывается универсальной функцией:

                                                                                                (3)

где:    – фазовый сдвиг волн от ближайших структур в направлении детектора, N – щели фрактальной решетки.

Уже сейчас проведя ряд вычислений можно сказать, что исполь­зование новых типов фрактальных дифракционных решеток увеличит качество и глубину получаемых изображений в ПНВ на 15-19% так как, фазовый сдвиг волн, излучаемых от ближайших структур в направлении детектора будет минимален. Такой фрактальный паттерн дифракции будет иметь ряд главных минимумов и максимумов в точках  и 

Получив данные фрактальные дифракционные решетки плани­руется провести ряд экспериментов. В ходе которых данные решетки будут прикрепляться к ПНВ для получения более качественных изображений рельефа и структур в дальнейшем.

Выводы. Различные фрактальные дифракционные решетки и зонные пластинки смоделированные на основе длины Талбота, должны улучшить качество современных ПНВ. Планируется ряд экспериментов на основе которых данная математическая модель будет опробована. Также как видно из результатов имеется возможность построить 3D‑модель фотонных кристаллов, работа с которыми у ПНВ будет с помощью электронного оборудования основанного на открытой системе «Arduino».