СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ МНОГОЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H04N9/31 

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано для преобразования и восприятия на расстоянии на отражающих или рассеивающих экранах световых статических и динамических лазерных изображений, созданных на основе пиксельной компьютерной графики.

Известен патент, который представляет собой устройство для управления лазерными пучками с целью дистанционного воспроизведения на экране цветных изображений и состоит из одного лазера, в котором лазерные пучки трех основных цветов: красного, зеленого и синего разделены, или нескольких лазеров, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета ЕР 488903 МПК 5: Н04 N 9/31, Сони корп. (Япония), 1992 - "Лазерный цветной проекционный дисплей". Интенсивность лазерных пучков модулируют и лазерные пучки направляют на сканатор, состоящий из барабанного зеркала и зеркального гальванометра для развертки лазерного излучения и создания на экране цветного изображения. Лазерные пучки длиной волны 568,2 и 647,1 нм смешивают в пропорции 1:20. В результате выходное излучение по цвету соответствует длине волны 612 нм. В спектре излучения лазера на смеси газов аргон-криптон одновременно присутствуют красная, зеленая и синяя спектральные линии. Для получения спектральной линии только красного цвета может быть использован криптоновый лазер.

Известное устройство обладает следующими недостатками. Яркость любого фрагмента лазерного изображения на экране не превосходит максимальной удельной яркости полного экрана, пропорциональной величине Р/S, где Р - средняя суммарная мощность лазерного излучателя, S - площадь экрана, что не позволяет формировать фрагменты изображения с яркостью, превосходящей максимальную удельную яркость. Уменьшение объема отображаемой информации в лазерном изображении не приводит к увеличению яркости изображения, которая остается равной максимальной удельной яркости. Телевизионный метод сканирования лазерными пучками (построчная развертка) приводит к необходимости освещения всей плоскости экрана, что требует использования сверхмощных лазеров для экранов с площадью более 10 м². При создании фрагмента изображения, содержащего только один из основных цветов, интенсивность остальных основных цветов должна быть уменьшена с помощью модуляторов интенсивности до нуля, что приводит к общим световым потерям.

Целью изобретения является преобразование и дистанционное воспроизведение при помощи лазерного проектора статических и динамических многоцветных компьютерных изображений в многоцветные крупномасштабные (> 10 х 10 м) лазерные изображения, соотношение яркости, градаций цветовых оттенков и количества элементов которых соответствует исходному компьютерному изображению.

В соответствии с предлагаемым способом лазерные изображения формируют на плоскости наблюдения лазерными пучками трех основных цветов дискретно по элементам изображения, при этом лазерные пучки каждого основного цвета независимо направляют в N х М элементов лазерного изображения на плоскости наблюдения, соответствующих N х М элементам исходного графического компьютерного изображения. Образование дополнительных цветов производят путем многократного позиционирования каждого из пучков в один и тот же элемент изображения на плоскости наблюдения либо путем управления интенсивностью лазерных пучков.

В предлагаемом способе исходным рабочим материалом является файл с графической информацией, отображаемой на экране управляющего работой лазерного проектора компьютера в виде цветного пиксельного графического изображения, состоящего из N х М элементов. Каждому элементу изображения в плоскости экрана компьютера приписывают двумерные координаты и функцию цвета исходя из соотношения трех основных цветов: красного (к), зеленого (з), синего (с). Графическую компьютерную информацию передают на плоскость наблюдения лазерными пучками также трех основных цветов. Для уменьшения оптических потерь при формировании лазерного изображения позиционирование лазерных пучков трех основных цветов производят независимо друг от друга, и лазерные пучки направляют только в те N х М элементов экрана наблюдения, координаты которых соответствуют координатам N х М элементов в структуре исходного компьютерного изображения.

Фрагменты лазерного изображения, состоящие только из одного или двух основных цветов, формируют независимо друг от друга и параллельно во времени. Поэтому формирование изображения одного из основных цветов не требует одновременного выключения остальных цветов, как в известном техническом решении.

В соответствии с предлагаемым способом образование дополнительных цветов и их оттенков в элементах лазерного изображения, а также изменение яркости элементов в лазерном изображении производят согласно трехцветной теории зрения путем смешивания в разных пропорциях трех основных цветов на плоскости наблюдения. Управление вкладом каждого основного цвета при их смешении производят путем изменения интенсивности каждого к, з, с пучка либо путем изменения видимой яркости элемента лазерного изображения, достигаемого управлением временем нахождения каждого из к, з, с пучков в данной точке лазерного изображения, т.е. многократным позиционированием (возвращением) пучка в одну и ту же точку плоскости наблюдения.

Предлагаемый способ позволяет формировать многоцветные и крупномасштабные (>100 м²) лазерные графические изображения, в которых соотношение яркости, цветности и количества элементов достаточно для идентификации в плоскости наблюдения структуры исходного компьютерного изображения.

Предлагаемый лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных многоцветных изображений, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник многоцветного когерентного излучения, имеющий в спектре излучения три основных цвета; устройство формирования лазерных пучков трех основных цветов; устройство управления интенсивностью лазерных пучков трех основных цветов; устройство проектирования на плоскость наблюдения лазерных пучков трех основных цветов, а также включает блок акустооптических дефлекторов для независимого поэлементного и дискретного позиционирования лазерных пучков трех основных цветов в элементы лазерного изображения на плоскости наблюдения, соответствующие элементам исходного компьютерного изображения, и устройство масштабирования, фокусирования и совмещения взаимосвязанных лазерных изображений на плоскости наблюдения, расположенное между блоком акустооптических дефлекторов и плоскостью наблюдения.

При этом блок акустооптических дефлекторов одновременно снабжен функцией устройства управления яркостью элементов лазерного изображения, реализуемой двумя путями: изменением интенсивности лазерных пучков посредством изменения амплитуды высокочастотного электрического сигнала, подаваемого на дефлектор, либо управлением яркостью лазерного изображения на плоскости наблюдения посредством многократного позиционирования каждого из пучков в один и тот же элемент изображения на плоскости наблюдения. В последнем случае последовательность из К кратковременных импульсов с одинаковой пиковой мощностью, отражаемых элементом плоскости наблюдения в направлении наблюдения, воспринимается человеческим глазом как К-кратное увеличение яркости данного элемента плоскости наблюдения. Достаточным условием реализации подобного эффекта является соблюдение соотношений:
- длительность одиночного импульса должна быть много меньше времени нейронного возбуждения глазного нерва;
- пиковая мощность единичного импульса должна быть недостаточной для достижения уровня насыщения нейронного возбуждения глазного нерва.

Акустооптические дефлекторы дополнительно снабжены функцией устройства управления размерами лазерного изображения на плоскости наблюдения посредством изменения частоты (соответственно углов отклонения) высокочастотных электрических сигналов, подаваемых на дефлектор.

В случае использования в качестве источника многоцветного когерентного излучения трех твердотельных лазеров с независимыми источниками накачки, генерирующих лазерные пучки трех основных цветов, независимые источники накачки снабжены функцией устройства управления интенсивностью лазерных пучков посредством изменения энергии накачки твердотельных лазеров.

В предлагаемом лазерном проекторе исходному компьютерному изображению, разложенному на три моноцветных к, з, с изображения приписаны двумерные координаты и функция цвета исходя из соотношения трех основных цветов. Информация о структуре изображения, преобразованная в соответствующие электрические сигналы, поступает в устройство управления параметрами лазерных пучков. Для управления направлением пучков в пространстве использован многофункциональный блок из трех пар взаимосвязанных быстродействующих двухкоординатных акустооптических дефлекторов, при этом каждый к, з, с лазерный пучок позиционируется на плоскость наблюдения двумя дефлекторами, каждый из которых отклоняет пучок по одной из координат Х или Y. Для отклонения световых пучков в акустооптических дефлекторах используется дифракция пучка на ультразвуковой волне в кристалле дефлектора, создаваемая пьезокерамическим преобразователем, прикрепленным к поверхности оптического кристалла. Электрические импульсы с высокочастотным заполнением, подаваемые на каждый дефлектор, приводят к возникновению импульсов высокочастотных ультразвуковых волн в материале дефлектора. Частота волн во всем рабочем диапазоне частот каждого дефлектора удовлетворяет условиям дифракции Брэгга, при которой после прохождения каждого дефлектора лазерный пучок разделяется на два пучка: основной и дифрагированный. В предлагаемом лазерном проекторе используются дифрагированные пучки первого порядка, для которых угол отклонения (угол дифракции) пропорционален частоте сигнала, подаваемого на дефлектор, а интенсивность дифрагируемого пучка пропорциональна амплитуде сигнала, подаваемого на дефлектор. Физические принципы, на которых основано действие используемых акустооптических дефлекторов, позволяют создавать лазерные изображения, содержащие в каждом основном цвете до 20000 точек. Такой объем элементов в изображении сравним с фрагментом телевизионного изображения и позволяет полностью идентифицировать воссоздаваемый объект в лазерном изображении в соответствии с телевизионным стандартом.

Если исходное компьютерное изображение состоит из Ni х Mi элементов i-го цвета, (индекс i соответствует одному из к, з, с цветов), то лазерная энергия, переносимая пучком i-го цвета, концентрируется только в Ni х Mi точках экрана, и максимальная удельная яркость лазерного изображения i-го основного цвета пропорциональна величине Pi/Si, где Pi - средняя мощность лазерного излучения в i-том пучке, Si - площадь лазерного изображения i-го основного цвета. Величины Pi/Si должны удовлетворять соотношению Pi/Si_min > pi_min, где pi - минимальная освещенность, соответствующая условному критерию видимости i-го основного цвета в изображении, образованном i-ой основной волной в конкретных условиях наблюдения. Поскольку площадь Si изображения пропорциональна величине Ni х Mi, то предлагаемый лазерный проектор позволяет, в отличие от прототипа, увеличивать яркость лазерного изображения при уменьшении объема отображаемой информации.

Предлагаемый лазерный проектор позволяет устанавливать формат кадра исходного компьютерного изображения со следующими параметрами: N_max - максимальное число пикселей в строке в установленном формате кадра; M_max - максимальное число пикселей в столбце с учетом размера воспроизводимого лазерного изображения (размера плоскости наблюдения) и условий его наблюдения. При заданных линейных размерах экрана D_x, D_y и среднем расстоянии наблюдения L значения N_max и M_max должны удовлетворять соотношению N_max, M_max < D/LA, где A - предел углового разрешения человеческого глаза. Угловая расходимость лазерного излучения не должна быть меньше величины А.

На фиг. 1 показана схема лазерного проектора, включающая оптоэлектронные ячейки Керра в качестве устройства управления интенсивностью лазерных пучков; на фиг. 2 - схема лазерного проектора, включающая многофункциональный блок акустических дефлекторов, одновременно выполняющий функцию устройства управления интенсивностью лазерных пучков; на фиг. 3 - схема лазерного проектора с использованием в качестве устройства управления интенсивностью лазерных пучков - независимых источников накачки твердотельных лазеров.

Лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных многоцветных изображений (фиг. 1, 2, 3) состоит из последовательно расположенных и оптически связанных между собой трех основных функциональных блоков: источника многоцветного когерентного излучения, содержащего в спектре излучения три основные цвета; устройства управления А и программного устройства В, содержащего компьютер с быстродействующими интерфейсами.

В лазерном проекторе, представленном на фиг. 1, источник многоцветного когерентного излучения содержит два ионных лазера непрерывного действия: лазер на аргоне 1 (з, с) и лазер на криптоне 2 (к). Возможно также использование лазера на аргоне (з, с) совместно с лазером (DYE laser), например родамине, который накачивается лазером на аргоне и излучает в красно-оранжевой области спектра. В обоих случаях образуется спектр, содержащий основные линии к, з, с. Устройство управления А связано через адаптер 4 с программным устройством В и содержит: устройство 5 селекции и формирования лазерных пучков основных цветов; оптоэлектронные ячейки Керра 6, 7, 8 с соответствующими драйверами 9, 10, 11 для управления интенсивностью лазерного луча каждого основного цвета; акустооптические двухкоординатные дефлекторы 12, 13, 14 для управления угловым положением лазерного пучка каждой основной длины волны с соответствующими драйверами 15, 16, 17; оптико-механическое устройство 18 в качестве устройства масштабирования, фокусирования и совмещения на плоскости наблюдения, например, на экране 19 лазерных изображений трех основных цветов, соответствующих составным частям исходного компьютерного изображения.

В лазерном проекторе, представленном на фиг. 2, источник многоцветного когерентного излучения содержит два лазера непрерывного действия: на аргоне 1 (з, с) и на криптоне 2 (к). Также возможно использование сочетания: аргоновый лазер и лазер на красителе. Устройство управления А связано через адаптер 4 с программным устройством В и содержит: устройство 5 селекции и формирования лазерных пучков основных цветов; акустооптические двухкоординатные дефлекторы 12, 13, 14 для управления интенсивностью и угловым положением лазерного пучка каждой основной длины волны, управляемые соответствующими драйверами 15, 16, 17 в соответствии с сигналами, вырабатываемыми программным устройством В; оптико-механическое устройство 18 в качестве устройства масштабирования, фокусирования и совмещения на плоскости наблюдения, например, на экране 19 лазерных изображений трех основных цветов, соответствующим составным частям исходного компьютерного изображения.

В лазерном проекторе, представленном на фиг. 3, источник многоцветного когерентного излучения содержит три твердотельных лазера 1, 2, 3 (к, з, с) непрерывного или импульсного действия с диодной накачкой с независимыми источниками питания 20, 21, 22, связанными через адаптер 4 с программным устройством В и одновременно выполняющими функцию устройства управления интенсивностью лазерных пучков в соответствии с управляющими сигналами, вырабатываемыми программным устройством В.

Устройство управления А связано через адаптер 4 с программным устройством В и содержит устройство 5 для формирования лазерных пучков основных цветов; акустооптические двухкоординатные дефлекторы 12, 13, 14 для управления интенсивностью и угловым положением лазерных пучков каждой основной длины волны с соответствующими драйверами 15, 16, 17, управляемыми по сигналам, вырабатываемым программным устройством В; оптико-механическое устройство 18 в качестве устройства масштабирования, фокусирования и совмещения на плоскости наблюдения, например, на экране 19 лазерных изображений трех основных цветов, соответствующих составным частям исходного компьютерного изображения.

В примере реализации лазерного проектора, представленном на фиг. 1, лазерные пучки после устройства формирования 5 последовательно проходят через соответствующую оптоэлектронную ячейку управления интенсивностью 6, 7, 8, каждая из которых управляется соответствующими драйверами 9, 10, 11, связанными с программным устройством В, в котором происходит разложение программным путем исходного многоцветного компьютерного изображения на три моноцветных к, з, с и формируются три отдельных взаимосвязанных компьютерных файла, содержащих информацию о двумерных координатах и оттенках цвета всех отдельных элементов, составляющих каждое моноцветное изображение. Информация о структуре изображения каждого данного файла преобразуется программным устройством В в соответствующие управляющие электрические сигналы, направляемые через адаптер 4 на драйверы 9, 10, 11. После прохождения оптоэлектронных ячеек к, з, с лазерные пучки проходят соответствующие двухкоординатные акустооптические дефлекторы 12, 13, 14, которые управляются соответствующими драйверами 15, 16, 17 соответственно сигналам, вырабатываемым программным устройством В. В данной схеме реализации лазерного проектора управление интенсивностью лазерных пучков и управление положением пучков технически разделены и осуществляется различными устройствами.

В примере реализации лазерного проектора, представленном на фиг. 2, лазерные пучки после устройства формирования 5 проходят через акустооптические двухкоординатные дефлекторы 12, 13, 14, которые управляют интенсивностью и угловым положением пучков в соответствии с сигналами, вырабатываемыми программным устройством В.

В примере реализации лазерного проектора, представленном на фиг. 3, управление интенсивностью каждого к, з, с пучка производится непосредственно в источниках многоцветного когерентного излучения 1, 2, 3 путем изменения уровня диодной накачки каждого лазера. Уровень накачки определяется управляющими сигналами, поступающими на блоки питания 20, 21, 23 лазеров 1, 2, 3 через адаптер 4 от программного устройства В.

В лазерных проекторах, представленных на фиг. 1, 2, источником многоцветного когерентного излучения являются два ионных лазера непрерывного действия на аргоне и на криптоне (или один на смеси газов аргон-криптон), из спектра излучения которых устройством 5 формирования лазерных пучков трех основных цветов выделяются и формируются основные спектральные линии, например: линия излучения лазера на криптоне - красная с длиной волны 647, 1 нм; и две линии излучения лазера на аргоне - зеленая с длиной волны 514,5 нм и синяя с длиной волны 488,0 нм. В общем случае в спектре генерации данных лазеров содержится до 10 спектральных линий, из которых только три - красная, зеленая, синяя используются в лазерном проекторе. При использовании лазера на красителе с накачкой от лазера на аргоне используется оранжевая линия излучения родамина с длиной волны 610-620 нм.

В лазерном проекторе, представленном на фиг. 3, источником многоцветного когерентного излучения являются три твердотельных лазера с диодной накачкой, например: излучения лазера 1 с длиной волны 1334 нм после удвоения частоты преобразуется в излучение красного цвета (667 нм); излучение лазера 2 с длиной волны 1064 нм после удвоения частоты преобразуется в излучение зеленого цвета (532 нм); излучение лазера 3 с длиной волны 946 нм после удвоения частоты преобразуется в излучение синего цвета (473 нм). Излучение от лазеров поступает в устройство управления А.

Во всех примерах реализации лазерного проектора (фиг. 1, 2, 3) блок акустооптических дефлекторов 12, 13, 14 снабжен функцией масштабирования (изменения линейных размеров) лазерного изображения посредством изменения пределов диапазона частот управляющих сигналов, подаваемых на дефлекторы 12, 13, 14.

Способ производства статических и динамических лазерных полноцветных изображений и лазерный проектор для его реализации позволяют получить крупномасштабные лазерные графические изображения, в которых яркость, цветность и количество элементов полностью идентичны исходному компьютерному изображению. Лазерные изображения строят независимым, поэлементным и дискретным позиционированием лазерных пучков трех основных цветов (красного, зеленого, синего) в плоскости наблюдения при помощи акусто-оптических дефлекторов, входящих в схему лазерного проектора, на основании управляющих электрических сигналов, подаваемых программным устройством. Процесс образования лазерного изображения контролируется программным устройством в соответствии с программой преобразования информации, содержащейся в исходном графическом компьютерном изображении. Технический результат - преобразование и дистанционное воспроизведение при помощи лазерного проектора статистических и динамических многоцветных компьютерных изображений в многоцветокрупномасштабные (> 10 х 10 м) лазерные изображения, соотношение яркости, градаций цветовых оттенков и количества элементов которых соответствует исходному компьютерному изображению. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ производства статических и динамических лазерных многоцветных изображений на плоскости наблюдения лазерными пучками трех основных цветов, отличающийся тем, что лазерные изображения формируют на плоскости наблюдения дискретно по элементам изображения, при этом лазерные пучки каждого основного цвета независимо направляют N • M элементов лазерного изображения на плоскости наблюдения, соответствующих N • M элементам исходного графического компьютерного изображения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образование дополнительных цветов производят путем многократного позиционирования каждого из лазерных пучков в один и тот же элемент изображения на плоскости наблюдения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образование дополнительных цветов производят путем управления интенсивностью лазерных пучков. 4. Лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных многоцветных изображений, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник многоцветного когерентного излучения, имеющий в спектре излучения три основных цвета, устройство формирования лазерных пучков трех основных цветов, устройство модуляции интенсивности лазерных пучков трех основных цветов и устройство проектирования на плоскость наблюдения лазерных пучков трех основных цветов, отличающийся тем, что в него введены блок акустооптических дефлекторов для независимого поэлементного и дискретного позиционирования лазерных пучков трех основных цветов в элементы лазерного изображения на плоскости наблюдения, соответствующие элементам исходного компьютерного изображения, и устройство масштабирования, фокусирования и совмещения взаимосвязанных лазерных изображений на плоскости наблюдения, расположенное между блоком акустооптических дефлекторов и плоскостью наблюдения. 5. Проектор по п.4, отличающийся тем, что акустооптические дефлекторы снабжены функцией устройства управления яркостью элементов лазерного изображения в плоскости наблюдения посредством многократного позиционирования каждого из пучков в один и тот же элемент изображения на плоскости наблюдения. 6. Проектор по п.4, отличающийся тем, что акустооптические дефлекторы снабжены функцией устройства управления интенсивностью лазерных пучков посредством изменения амплитуды высокочастотного электрического сигнала, подаваемого на дефлектор. 7. Проектор по п.4, отличающийся тем, что акустооптические дефлекторы снабжены функцией устройства управления размерами лазерного изображения на плоскости наблюдения посредством изменения частоты высокочастотного электрического сигнала, подаваемого на дефлектор. 8. Проектор по п.4, отличающийся тем, что источник многоцветного когерентного излучения содержит три твердотельных лазера с независимыми источниками накачки, генерирующих лазерные пучки трех основных цветов. 9. Проектор по п.8, отличающийся тем, что независимые источники накачки снабжены функцией устройства управления интенсивностью генерируемых лазерных пучков посредством изменения энергии накачки твердотельных лазеров.