Міністерство загальної та професійної освіти Російської Федерації
Томський Університет Систем Управління та Радіоелектроніки
(ТУСУР)
Кафедра Промислової Електроніки (Пр.Е)
РЕФЕРАТ
"Лазерні засоби відображення інформації."
Виконав:
студент групи
________
Прийняв:
__________
Лазерні методи індикації.
Практична здійсненність лазерів була вперше показана в 1960 р. Після цього розвиток лазерної техніки відбувалося рекордними темпами.
В даний час існує ще багато проблем, пов'язаних із застосуванням лазерів в області індикації, включаючи проблеми, що стосуються сумарної яскравості, сканування, модуляції і терміну служби. Тим не менш лазер має багато достоїнств при розгляді його як індикаторного пристрою. У їх число входять висока яскравість променя, малий розмір плями і можливість роботи в реальному масштабі часу.
Перші продемонстровані лазери були імпульсного типу. В якості основного джерела світла в них використовувався рубін, а необхідна потужність оптичного накачування вироблялася лампою - спалахом. Після цього були розроблені газові лазери безперервного випромінювання і напівпровідникові лазери. Існуючий рівень техніки дозволяє використовувати будь-який з основних лазерних матеріалів як в режимі безперервних коливань, так і в імпульсному режимі. Потужність накачування може або вироблятися електрично, або, що більш часто, підводиться від зовнішнього джерела світла. Однак одержувані к.к.д. ще низькі: порядку декількох відсотків у імпульсних лазерів і приблизно 0,1% у лазерів безперервного випромінювання.
Основне лазерне дію пояснюється виразом "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (посилення світла за допомогою індукованого випромінювання), з початкових літер слів якого був утворений термін "лазер". При рознесенні двох паралельних дзеркал на відстань, кратне довжині хвилі випускається світла, світло відбивається обома дзеркалами і повертається у фазі, стимулюючи подальше випромінювання. Світлове випромінювання виникає в результаті переходів електронів зі збудженого стану в стан з меншою енергією. Для створення збуджених електронів повинен використовуватися зовнішній джерело енергії (зазвичай оптичною). Це джерело енергії переводить електрони в збуджений стан, завдяки чому вони можуть випромінювати світлову спалах при повернення в свій нормальний стан. Процес підвищення енергетичних рівнів цих електронів називається накачуванням.
Оскільки на шляху між дзеркалами вкладається ціле число довжин хвиль, у лазері створюються коливання, відповідні дуже вузьким спектральним лініям. Іноді генерується безліч частот, яким відповідають довжини хвиль, що укладаються ціле число разів на довжині основного шляху. Ще однією важливою властивістю лазера є когерентний характер його випромінювання. Так як світло генерується синфазно, ширина променя обмежується діфракіей.
Розгортає пристрій з біжучим променем.
Пропонувалося використовувати лазер у розгортає пристрої з біжучим променем для освітлення візуального об'єкта з метою подальшого перетворення зображення у відеосигнал з допомогою фотопомножувача. Крім труднощів, пов'язаних зі скануванням, потрібно відзначити, що система може працювати тільки на невеликих відстанях. Перетворення зображення у відеосигнал на дуже великих відстанях, таких, як в радіолокації, вимагало б набагато більший рівень потужності, ніж досяжний в даний час.
Лазерний індикатор з великим екраном.
Лазер часто пропонувалося використовувати для отримання керованого світлового потоку в проекційної індикації. Схема методу представлена на рис. 1. Лазер повинен бути забезпечений джерелом енергії для відхилення і модуляції променя. Екран може бути або активним, або пасивним. В активному екрані застосовується такий же принцип, як у електролюмінесцентних підсилювачі світла, з метою отримання більш високих яркостей, ніж при використанні тільки лазера.
Величина відхилення є функцією кількості дозволених елементів і ширини променя лазера, яка може становити від декількох кутових секунд до однієї кутової хвилини. Велика ширина променя призводить до зменшення необхідної відстані між проекційним об'єктивом і екраном при тих же самих розмірах екрану і роздільної здатності, але вимагає більшого кута відхилення. Існуючі лазери дають можливість побудувати систему з роздільною здатністю 1000 ліній і кутом відхилення 16 і менше. При різних дослідженнях методів відхилення лазерного променя отримано від 256 до 1000 дозволених елементів і в горизонтальному і у вертикальних напрямах. До основних методів відхилення відносяться: зміна за допомогою ультразвуку градієнта показника заломлення, що забезпечує відхилення на 5; сканування з використанням електронно - оптичної призми і титанату барію, що забезпечує відхилення на 1; використання аномальної дисперсії, що забезпечує відхилення на 10; сканування з використанням п'єзоелектричного елемента для відхилення менше ніж на 1.
Обмежена кількість застосовних методів ускладнює здійснення відхилення в лазерних індикаторах. Виникає дві проблеми, пов'язані з обмеженими кутами відхилення і малим розміром плями. Якщо потрібний кут відхилення малий (1), то прийнятною ширині екрану відповідає велика відстань між екраном та проектором. При відхиленні на 1 ця відстань повинна бути дорівнює 120 м при ширині екрану 210 см. При великому куті відхилення (20) необхідну відстань між екраном і проектором зменшується до більш реального значення 6м, але постають проблеми, пов'язані з розміром плями і відхиленням. Ширина променя постійна у будь-якого даного лазера. Тому зі збільшенням кута відхилення збільшується кількість дозволених елементів. Це, у свою чергу, вимагає підвищення швидкості сканування (розгортки), щоб запобігати погіршенню якості зображення. Наприклад, якщо розмір плями в системі дозволяє отримати дозвіл 4000 ліній, а використовується тільки 500 рядків розгортки, то зображення буде розділеним на площині, що мають значну дозвіл. Ширина променя типового лазера дорівнює 10 секундам кутовим, що забезпечує дозвіл 7200 елементів при куті відхилення 20.
Яскравість екрану В у нитах може бути обчислена за допомогою формули:
В = РКG / ПА, (1)
де Р - вихідна потужність лазера, Вт; К - ефективність перетворення енергії джерела, лм / Вт; G - посилення екрану; А - площа Ерана, м. У індикаторі повинен використовуватися лазер безперервної випромінювання. Такі лазери в даний час мають вихідну потужність порядку 1Вт. У разі екрану розміром 4,645 м, К = 500лм/вт, G = 3, очікувана яскравість дорівнює 102,9 нт. Однак сучасні лазери вивчають у червоній області спектра зі значно меншою ефективністю перетворення енергії.
У літературі описані й інші методи побудови лазерних систем індикації. В одній з них лазерний промінь використовується для скрайбування металевого покриття скляного діапозитива. При цьому лазер застосовується замість пера з електромеханічним приводом. Якщо виявиться можливим розробити відповідні схеми відхилення, цей метод дозволить отримати значно більшу швидкість, ніж швидкості в сучасних викреслюють проекторах. У цій системі для проектування використовується зовнішнє джерело світла, що знижує необхідні потужність лазера і його робочий цикл (і, отже, збільшує термін служби лазера).
Основна проблема, яка ще повинна бути вирішена, стосується можливості випаровування металу без пошкодження скляного об'єктива (і всієї проекційної системи).
До основних методів лазерної індукції відноситься також використання лазерного променя для запису на активному екрані. Екран може бути виконаний з фотохромного, електролюмінісцентного або іншого матеріалу, який виробляє або модулюючого світло. При використанні фотохромного екрану потрібно ультрафіолетовий лазер. У разі електролюмінісцентной панелі ідеальним є метод координатної сітки з пам'яттю на фотоелементах. Якщо вибіркове стирання не потрібно, то побудова системи не пов'язано з труднощами комутації, які зазвичай властиві матричним індикаторах. Випускаються в даний час електролюмінісцентние панелі мають достатній світловий вихід і термін служби для застосування в театральних системах. При роботі цих систем лазерний промінь використовується для включення належного фотоелемента. Після цього фотоелемент підтримується у включеному стані світінням пов'язаного з ним електролюмінісцентного елемента.
Лазерна малюнок.
Одним з спецефічні застосувань лазерів у індикації є формування голограм. У фотографуванні цього типу когерентні властивості світла використовуються для формування на фотоплівці інтерференційної картини зображення. Це здійснюється за допомогою розщеплення лазерного променя на дві частини (або більше), з яких одна висвітлює плівку безпосередньо в якості опорного променя, а інші висвітлюють об'єкт. Від об'єкта світло відбивається до плівки і складається зі світлом опорного променя, утворюючи інтерференційні картини.
Отримується зображення, зване голограмою, має специфічні властивості. При розгляданні голограми у світлі когерентного джерела виходять два зображення: дійсне та уявне. Дійсне зображення можна фотографувати, поміщаючи плівку в його площину, без використання об'єктива. Уявне зображення можна бачити за голограмою при її безпосередньому спостереженні.
Ці зображення мають декілька характерних особливостей. Уявне зображення сприймається як повне тривимірне зображення, вільний від будь - яких недоліків звичайного тривимірного фотографування. Змінюючи своє положення, спостерігач може зазирнути за що лежать за передньому планом предмети точно таким же чином, як при спостереженні вихідного об'єкта. Ще одна незвичайна особливість полягає в тому, що розрізання голограми на дві половини зменшує здатність зображення, але не змінює його розміри. Ця особливість пояснюється тим, що світло, що йде з кожної точки об'єкта, реєструється на всій поверхні плівки. Існують і інші корисні особливості, але вони мало значать для індикації.
Одним з очевидних застосувань голограм є об'ємне телебачення. Вихідна голограма може регестріровалась безпосередньо на поверхні зображення в телевізійній камері. При скануванні ця голограма перетворюється на телевізійний сигнал, який може спостерігатися на спеціально сконструйованому приймачі. Труднощі здійснення такої системи пов'язані з необхідністю використовувати дуже широку смугу частот для передачі сигналу, удосконалювати пристрої, що перетворюють зображення у відеосигнал, застосовувати когерентний світло для освітлення об'єкта та спеціальний приймач. Однак голографічна фототелеграфна система може бути виготовлена при існуючому стані техніки.
Пристрої відображення інформації на лазер них генераторах світла.
Стосовно до індикаторним пристроїв представляють інтерес такі властивості випромінювання лазерів: просторова когерентність, тимчасова когерентність, колір і яскравість.
Когерентність - високий ступінь узгодженості фаз коливань, що утворюють хвильовий фронт. Просторова когерентність означає жорстку взаємозв'язок фаз коливань, розділених тимчасовим інтервалом, і рівнозначна вузькосмуговій по частоті.
Лазер являє собою когерентне джерело світла. Шляхом підбору трьох джерел світла з відповідними основними кольорами і введення їх в схему адитивного освіти квітів можна відтворити широку гаму кольорів. Для отримання основних кольорів можуть бути використані гелій - неонові і арго - неонові лазери.
Пікова яскравість (кд / м) розглянутого ділянки зображення
B = GFnKз / (S), (2)
де - світловий ККД оптичної системи; G - коефіцієнт яскравості екрану; Fn - пікове значення світлового потоку, лм; Кз - коефіцієнт заповнення, рівний відношенню часу перебування променя лазера на будь-який елемент зображення до часу воспоізведенія етогор зображення, м.
Пікове значення світлового потоку
Fn = WK C, (3)
де W - вихідна потужність лазера, Вт; К - значення функції відносної видности для випромінювання джерела світла; С - коефіцієнт перерахунку, лм / Вт. Якщо довжина хвилі = 555нм, то коефіцієнт С = 680 лм / Вт.
На рис. показана схема уои з використанням лазера. Лазер Л, оптичний модулятор МО, дефлектор Д, схема управління модулятором СУМ, схема управління дефлектором СУД і джерело живлення ИП утворюють лазерний проектор. Відображається інформація на екрані Е. Допоміжне обладнання, до якого входить ЕОМ і буферно - перетворювальне запам'ятовуючий пристрій БЗУ, лазерний проектор і екран забезпечують управління процесом відображення інформації, а також довготривалий і короткочасне її зберігання.
При розробці уои на лазерах використовуються наступні методи: візуальна лазерна індикація, коли на екран направляється власне світло лазера; індикація з активним екраном, коли промінь лазера застосовується лише для управління світловим випромінюванням деякого активного матеріалу екрану; лазерно-променевою світловий клапан, коли промінь лазера забезпечує місцеве управління оптичними параметрами деякого матеріалу (його коефіцієнтом відбиття або коефіцієнтом пропускання), а окреме джерело звичайного типу дає світло для проекції на екран; лазерний генератор зображення з безпосереднім впливом на об'ємний резонатор (такий генератор дозволяє отримати двовимірне зображення безпосередньо від лазерного джерела).
При відображенні інформації використовують спосіб "послідовної видачі", коли промінь лазера послідовно обходить всі точки поверхні екрану, або спосіб "вибіркового відображення", коли промінь лазера направляється тільки на ті елементи екрана, у яких вводиться інформація.
Модулятор світла призначений для накладення змінюється в часі інформації на випромінювання лазера шляхом зміни в часі його яскравості. Якщо зміни інформації синхронізовані з переміщенням променя дефлектора, то інформація перетворюється в зорово сприймається зображення.
До основних характеристик модулятора відносять ширину смуги частот, характеристики світлопропускання і відтворення півтонів, контрастні характеристики, рассеиваемую потужність, лінійність і вимоги до модулюючим сигналом. Необхідна смуга частот модулятора залежить від необхідної якості зображення і способу відображення. При послідовної видачу число рядків
n = 2 * 0,75 df (1-C0) / (fkRc), (4)
де df - ширина смуги частот або верхня гранична частота модулятора, МГц; C0 - відношення часу зворотного ходу до повного часу розгортки; fk - частота зміни кадрів, с; Rc - роздільна здатність по рядках, лінія / кадр; 0,75 - коефіцієнт, враховує формат кадру, що дорівнює 4:3.
Коефіцієнт 2 в (4) враховує, що перехід від чорного елемента розгортки до сусіднього білому проісходітза час одного періоду модулюючого сигналу.
При вибірковому відображенні ширина смуги частот модулятора визначається швидкодією системи відхилення. У цьому випадку модулятор в основному використовують тільки для гасіння променя в моменти його перемикання, тобто при переході від знака до знака, і тому необхідна ширина смуги частот виявляється меншою, ніж у першому випадку.
Характеристики світлопропускання модулятора значною мірою визначають його надійність, так як розсіяння навіть декількох відсотком потужності лазера може призвести до перегріву кристалічних елементів, з яких виготовляють модулятори.
Контраст характеризується відношенням максимальної потужності, що проходить через модулятор, що знаходиться у збудженому стані, до мінімально досяжному значенню потужності, яка тим менше, чим менше расходимость променя. Використовуючи промені з мінімальним кутовим розходженням, можна за рахунок погіршення світлопропускання підвищити контраст. Для отримання п'яти градацій півтонів потрібно контрастність більше 20 і лінійна модуляційна характеристика. Цими трабованиям можна знехтувати, якщо пристрій повинен відображати знаки, а не напівтонові зображення.
Для зміни інтенсивності променя лазера використовуються різні способи. Необхідність відтворення широкої смуги частот з метою отримання високої роздільної здатності вимагає швидкодіючих пристроїв, в якості яких використовують електрооптичні модулятори з лінійним або квадратичним ефектом.
Лінійний електрооптичний ефект (ефект Поккелса) виникає при порушенні кристалів дігідроген фосфату калію, дідейтеріум фосфату калію, дігідроген фосфату амонію. Характерна риса таких модуляторів - те, що прикладена електроческое полі паралельно напрямку світлового променя.
Багато ізотропні матеріали, вміщені в електроческое поле, ведуть себе подібно одноосьовим кристалам, оптична вісь яких збігається з напрямком поля. У цьому випадку наведене подвійне променезаломлення є функцією квадрата напруженості електричного поля, а саме явище називається квадратичним електрооптичних ефектів (ефект Керра). Квадратичний ефект спостерігається при використанні нітробензолу, кристалів з сімейства перовскитів і т. д.
Дефлектори, що здійснюють управління променем, засновані на різних способах відхилення променя: механічному, рефракційно, дифракційної, когерентної оптичної фазової решітки, двійкового електрооптичного управління положенням променя і ін
Механічний спосіб реалізується за допомогою застосування двох обертових багатогранних призм або дзеркала з дуже високим коефіцієнтом відображення, що переміщує по горизонталі й вертикалі п'єзоелектричним і гальванометричних приводами. Спосіб забезпечує відносно великі робочі кути відхилення (до 10 - 12) і досить високий оптичний коефіцієнт корисної дії. Швидкодія таких пристроїв мало, тому їх можна використовувати лише при режимі послідовної видачі. Крім того, їм властиві нестабільність, жорсткі допуски на елементи, труднощі синхронізації і т. д.
Рефракційні спосіб реалізує відоме оптичне властивість - відхилення світлового променя в слідстві заломлення (рефракції) на кордоні
двох прозорих середовищ. У цьому випадку застосовують електрооптичних призму або ультразвукову рефракційну клітинку.
Дифракційний спосіб може бути використаний, якщо діаметр падаючого світлового пучка істотно більше довжини ультразвукової хвилі, коли виникає дифракція світла (при растрової розгортці). Він забезпечує малі робочі кути (до декількох градусів) і низьку ефективність відхилення.
Спосіб когерентної оптичної фазової решітки заснований на властивості випромінювання лазера, що характеризується високим ступенем тимчасової і просторової когерентності. Ця властивість використовується для відхилення лазерного променя за рахунок розділення його на безліч паралельних променів і зміни відносних фаз між сусідніми променями в ближній зоні поля. Цей спосіб вимагає високої стабільності як джерела світла, так і дефлектора і має ряд інших обмежень.
Спосіб двійкового електрооптичного управління світловим променем заснований на використанні властивості подвійного променезаломлення деяких речовин. У таких речовинах звичайний Неполяризоване промінь світла розщеплюється на два промені. Один з променів називається звичайним, а інший - незвичайним. Ці промені лінійно поляризована, причому площині їх поляризації взаємно ортогональні. Якщо світло, що падає на речовину з подвійним променезаломленням (по нормалі), повністю лінійно поляризований і його площина поляризації збігається з площиною поляризації звичайного променя, то світло проходить не відхиляючись. Якщо падаюче світло лінійно поляризований в площині незвичайного променя, вихідний промінь виявляється зміщеним відносно точки виходу звичайного променя. Величина такого зміщення пропорційна товщині кристала з подвійним променезаломленням (КДП). В якості такої речовини використовують кальцит. Кристал такого рада може виконувати функцію двійкового перемикання лінійно поляризованого світла, що перетворює звичайний О-промінь у незвичайний H-промінь шляхом введення фазового запізнювання на 180 при впливі на кристал напруги напівхвильового запізнювання.
На рис. показана схема двійкового перемикача. Коли на кристал падає лінійно поляризоване світло, площина поляризації якого збігається з площиною поляризації О - променя (прикладена до електрооптичний кристалу ЕОК напруга дорівнює нулю), - перемикач відкритий. У цьому випадку світло через кристал кальциту КДП проходить не відхиляючись, а точка виходу світла відповідає точці виходу О - променя. Якщо до ЕОК прикладена напруга U, то перемикач закритий, падаючий Про - промінь перетворюється в H - промінь, світло поширюється по шляху, відповідному шляху H - променя. Комбінація ЕОК і КДП представляє собою двійкове електрооптичні пристрій управління становищем світлового променя.
Якщо світло пропускати через n перемикачів, то можна отримати 2 керованих положень променя. Щоб отримати двовимірну систему відхилення, необхідно використовувати другу систему перемикачів, яка повинна забезпечувати зміщення променя в напрямку, перпендикулярному першому.
Цей спосіб управління променем - перспективний. Для забезпечення максимальної чіткості зображення в уои з великими екранами застосовують лазери безперервної дії з потужністю в декілька ватів, як ККД - кристалічний кварц і ісландський шпат.
Багатобарвне зображення може бути отримано використанням кількох лазерів, що працюють паралельно і мають різні спектральні лінії випромінювання, причому у кожного лазера своя система відхилення, налаштована на відповідну лінію випромінювання.
Система аналогічного призначення може бути розрахована на роботу кількох лазерів на загальне пристрій дискретного відхилення, в якому за допомогою спеціальних заходів усунені хроматичні аберації. Більш досконала система, в якій випромінюється кілька квітів від одного лазерного генератора з перемикаючимися лініями випромінювання, що працює на загальний хроматичне дискретне пристрій відхилення.
Переваги уои колективного користування на лазерах: відображення інформації в реальному масштабі часу, висока роздільна здатність, отримання багатобарвних зображень, відсутність проміжних носіїв, можливість створення екрану практично будь-яких розмірів для колективного користування.
До недоліків їх слід віднести складність, низьку ефективність, малу надійність та наявність сцінцілляцій (іскріння) зображення.
Однак суттєві переваги уои на лазерах, а також інтенсивний розвиток і вдосконалення лазерної техніки дозволяють вважати їх дуже перспективними, тому в останні роки ведуться великі роботи, спрямовані на розробку, дослідження та впровадження уои на лазерах.
Висновок.
Системи індикації, які з'являться в найближчі 20 років, ймовірно, будуть значно відрізнятися від систем, що використовуються в даний час, внаслідок застосування в них ряду методів, що знаходяться зараз у стадії наукових досліджень.
На даний час лазерні засоби відображення інформації займають одне з провідних місць у системах відображення інформації і при подальших темпах розвитку, можливо, в найближчому майбутньому займуть перше місце.
Томський Університет Систем Управління та Радіоелектроніки
(ТУСУР)
Кафедра Промислової Електроніки (Пр.Е)
РЕФЕРАТ
"Лазерні засоби відображення інформації."
Виконав:
студент групи
________
Прийняв:
__________
Лазерні методи індикації.
Практична здійсненність лазерів була вперше показана в 1960 р. Після цього розвиток лазерної техніки відбувалося рекордними темпами.
В даний час існує ще багато проблем, пов'язаних із застосуванням лазерів в області індикації, включаючи проблеми, що стосуються сумарної яскравості, сканування, модуляції і терміну служби. Тим не менш лазер має багато достоїнств при розгляді його як індикаторного пристрою. У їх число входять висока яскравість променя, малий розмір плями і можливість роботи в реальному масштабі часу.
Перші продемонстровані лазери були імпульсного типу. В якості основного джерела світла в них використовувався рубін, а необхідна потужність оптичного накачування вироблялася лампою - спалахом. Після цього були розроблені газові лазери безперервного випромінювання і напівпровідникові лазери. Існуючий рівень техніки дозволяє використовувати будь-який з основних лазерних матеріалів як в режимі безперервних коливань, так і в імпульсному режимі. Потужність накачування може або вироблятися електрично, або, що більш часто, підводиться від зовнішнього джерела світла. Однак одержувані к.к.д. ще низькі: порядку декількох відсотків у імпульсних лазерів і приблизно 0,1% у лазерів безперервного випромінювання.
Основне лазерне дію пояснюється виразом "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (посилення світла за допомогою індукованого випромінювання), з початкових літер слів якого був утворений термін "лазер". При рознесенні двох паралельних дзеркал на відстань, кратне довжині хвилі випускається світла, світло відбивається обома дзеркалами і повертається у фазі, стимулюючи подальше випромінювання. Світлове випромінювання виникає в результаті переходів електронів зі збудженого стану в стан з меншою енергією. Для створення збуджених електронів повинен використовуватися зовнішній джерело енергії (зазвичай оптичною). Це джерело енергії переводить електрони в збуджений стан, завдяки чому вони можуть випромінювати світлову спалах при повернення в свій нормальний стан. Процес підвищення енергетичних рівнів цих електронів називається накачуванням.
Оскільки на шляху між дзеркалами вкладається ціле число довжин хвиль, у лазері створюються коливання, відповідні дуже вузьким спектральним лініям. Іноді генерується безліч частот, яким відповідають довжини хвиль, що укладаються ціле число разів на довжині основного шляху. Ще однією важливою властивістю лазера є когерентний характер його випромінювання. Так як світло генерується синфазно, ширина променя обмежується діфракіей.
Розгортає пристрій з біжучим променем.
Пропонувалося використовувати лазер у розгортає пристрої з біжучим променем для освітлення візуального об'єкта з метою подальшого перетворення зображення у відеосигнал з допомогою фотопомножувача. Крім труднощів, пов'язаних зі скануванням, потрібно відзначити, що система може працювати тільки на невеликих відстанях. Перетворення зображення у відеосигнал на дуже великих відстанях, таких, як в радіолокації, вимагало б набагато більший рівень потужності, ніж досяжний в даний час.
Лазерний індикатор з великим екраном.
Лазер часто пропонувалося використовувати для отримання керованого світлового потоку в проекційної індикації. Схема методу представлена на рис. 1. Лазер повинен бути забезпечений джерелом енергії для відхилення і модуляції променя. Екран може бути або активним, або пасивним. В активному екрані застосовується такий же принцип, як у електролюмінесцентних підсилювачі світла, з метою отримання більш високих яркостей, ніж при використанні тільки лазера.
Величина відхилення є функцією кількості дозволених елементів і ширини променя лазера, яка може становити від декількох кутових секунд до однієї кутової хвилини. Велика ширина променя призводить до зменшення необхідної відстані між проекційним об'єктивом і екраном при тих же самих розмірах екрану і роздільної здатності, але вимагає більшого кута відхилення. Існуючі лазери дають можливість побудувати систему з роздільною здатністю 1000 ліній і кутом відхилення 16 і менше. При різних дослідженнях методів відхилення лазерного променя отримано від 256 до 1000 дозволених елементів і в горизонтальному і у вертикальних напрямах. До основних методів відхилення відносяться: зміна за допомогою ультразвуку градієнта показника заломлення, що забезпечує відхилення на 5; сканування з використанням електронно - оптичної призми і титанату барію, що забезпечує відхилення на 1; використання аномальної дисперсії, що забезпечує відхилення на 10; сканування з використанням п'єзоелектричного елемента для відхилення менше ніж на 1.
Обмежена кількість застосовних методів ускладнює здійснення відхилення в лазерних індикаторах. Виникає дві проблеми, пов'язані з обмеженими кутами відхилення і малим розміром плями. Якщо потрібний кут відхилення малий (1), то прийнятною ширині екрану відповідає велика відстань між екраном та проектором. При відхиленні на 1 ця відстань повинна бути дорівнює 120 м при ширині екрану 210 см. При великому куті відхилення (20) необхідну відстань між екраном і проектором зменшується до більш реального значення 6м, але постають проблеми, пов'язані з розміром плями і відхиленням. Ширина променя постійна у будь-якого даного лазера. Тому зі збільшенням кута відхилення збільшується кількість дозволених елементів. Це, у свою чергу, вимагає підвищення швидкості сканування (розгортки), щоб запобігати погіршенню якості зображення. Наприклад, якщо розмір плями в системі дозволяє отримати дозвіл 4000 ліній, а використовується тільки 500 рядків розгортки, то зображення буде розділеним на площині, що мають значну дозвіл. Ширина променя типового лазера дорівнює 10 секундам кутовим, що забезпечує дозвіл 7200 елементів при куті відхилення 20.
Яскравість екрану В у нитах може бути обчислена за допомогою формули:
В = РКG / ПА, (1)
де Р - вихідна потужність лазера, Вт; К - ефективність перетворення енергії джерела, лм / Вт; G - посилення екрану; А - площа Ерана, м. У індикаторі повинен використовуватися лазер безперервної випромінювання. Такі лазери в даний час мають вихідну потужність порядку 1Вт. У разі екрану розміром 4,645 м, К = 500лм/вт, G = 3, очікувана яскравість дорівнює 102,9 нт. Однак сучасні лазери вивчають у червоній області спектра зі значно меншою ефективністю перетворення енергії.
У літературі описані й інші методи побудови лазерних систем індикації. В одній з них лазерний промінь використовується для скрайбування металевого покриття скляного діапозитива. При цьому лазер застосовується замість пера з електромеханічним приводом. Якщо виявиться можливим розробити відповідні схеми відхилення, цей метод дозволить отримати значно більшу швидкість, ніж швидкості в сучасних викреслюють проекторах. У цій системі для проектування використовується зовнішнє джерело світла, що знижує необхідні потужність лазера і його робочий цикл (і, отже, збільшує термін служби лазера).
Основна проблема, яка ще повинна бути вирішена, стосується можливості випаровування металу без пошкодження скляного об'єктива (і всієї проекційної системи).
До основних методів лазерної індукції відноситься також використання лазерного променя для запису на активному екрані. Екран може бути виконаний з фотохромного, електролюмінісцентного або іншого матеріалу, який виробляє або модулюючого світло. При використанні фотохромного екрану потрібно ультрафіолетовий лазер. У разі електролюмінісцентной панелі ідеальним є метод координатної сітки з пам'яттю на фотоелементах. Якщо вибіркове стирання не потрібно, то побудова системи не пов'язано з труднощами комутації, які зазвичай властиві матричним індикаторах. Випускаються в даний час електролюмінісцентние панелі мають достатній світловий вихід і термін служби для застосування в театральних системах. При роботі цих систем лазерний промінь використовується для включення належного фотоелемента. Після цього фотоелемент підтримується у включеному стані світінням пов'язаного з ним електролюмінісцентного елемента.
Лазерна малюнок.
Одним з спецефічні застосувань лазерів у індикації є формування голограм. У фотографуванні цього типу когерентні властивості світла використовуються для формування на фотоплівці інтерференційної картини зображення. Це здійснюється за допомогою розщеплення лазерного променя на дві частини (або більше), з яких одна висвітлює плівку безпосередньо в якості опорного променя, а інші висвітлюють об'єкт. Від об'єкта світло відбивається до плівки і складається зі світлом опорного променя, утворюючи інтерференційні картини.
Отримується зображення, зване голограмою, має специфічні властивості. При розгляданні голограми у світлі когерентного джерела виходять два зображення: дійсне та уявне. Дійсне зображення можна фотографувати, поміщаючи плівку в його площину, без використання об'єктива. Уявне зображення можна бачити за голограмою при її безпосередньому спостереженні.
Ці зображення мають декілька характерних особливостей. Уявне зображення сприймається як повне тривимірне зображення, вільний від будь - яких недоліків звичайного тривимірного фотографування. Змінюючи своє положення, спостерігач може зазирнути за що лежать за передньому планом предмети точно таким же чином, як при спостереженні вихідного об'єкта. Ще одна незвичайна особливість полягає в тому, що розрізання голограми на дві половини зменшує здатність зображення, але не змінює його розміри. Ця особливість пояснюється тим, що світло, що йде з кожної точки об'єкта, реєструється на всій поверхні плівки. Існують і інші корисні особливості, але вони мало значать для індикації.
Одним з очевидних застосувань голограм є об'ємне телебачення. Вихідна голограма може регестріровалась безпосередньо на поверхні зображення в телевізійній камері. При скануванні ця голограма перетворюється на телевізійний сигнал, який може спостерігатися на спеціально сконструйованому приймачі. Труднощі здійснення такої системи пов'язані з необхідністю використовувати дуже широку смугу частот для передачі сигналу, удосконалювати пристрої, що перетворюють зображення у відеосигнал, застосовувати когерентний світло для освітлення об'єкта та спеціальний приймач. Однак голографічна фототелеграфна система може бути виготовлена при існуючому стані техніки.
Пристрої відображення інформації на лазер них генераторах світла.
Стосовно до індикаторним пристроїв представляють інтерес такі властивості випромінювання лазерів: просторова когерентність, тимчасова когерентність, колір і яскравість.
Когерентність - високий ступінь узгодженості фаз коливань, що утворюють хвильовий фронт. Просторова когерентність означає жорстку взаємозв'язок фаз коливань, розділених тимчасовим інтервалом, і рівнозначна вузькосмуговій по частоті.
Лазер являє собою когерентне джерело світла. Шляхом підбору трьох джерел світла з відповідними основними кольорами і введення їх в схему адитивного освіти квітів можна відтворити широку гаму кольорів. Для отримання основних кольорів можуть бути використані гелій - неонові і арго - неонові лазери.
Пікова яскравість (кд / м) розглянутого ділянки зображення
B = GFnKз / (S), (2)
де - світловий ККД оптичної системи; G - коефіцієнт яскравості екрану; Fn - пікове значення світлового потоку, лм; Кз - коефіцієнт заповнення, рівний відношенню часу перебування променя лазера на будь-який елемент зображення до часу воспоізведенія етогор зображення, м.
Пікове значення світлового потоку
Fn = WK C, (3)
де W - вихідна потужність лазера, Вт; К - значення функції відносної видности для випромінювання джерела світла; С - коефіцієнт перерахунку, лм / Вт. Якщо довжина хвилі = 555нм, то коефіцієнт С = 680 лм / Вт.
На рис. показана схема уои з використанням лазера. Лазер Л, оптичний модулятор МО, дефлектор Д, схема управління модулятором СУМ, схема управління дефлектором СУД і джерело живлення ИП утворюють лазерний проектор. Відображається інформація на екрані Е. Допоміжне обладнання, до якого входить ЕОМ і буферно - перетворювальне запам'ятовуючий пристрій БЗУ, лазерний проектор і екран забезпечують управління процесом відображення інформації, а також довготривалий і короткочасне її зберігання.
При розробці уои на лазерах використовуються наступні методи: візуальна лазерна індикація, коли на екран направляється власне світло лазера; індикація з активним екраном, коли промінь лазера застосовується лише для управління світловим випромінюванням деякого активного матеріалу екрану; лазерно-променевою світловий клапан, коли промінь лазера забезпечує місцеве управління оптичними параметрами деякого матеріалу (його коефіцієнтом відбиття або коефіцієнтом пропускання), а окреме джерело звичайного типу дає світло для проекції на екран; лазерний генератор зображення з безпосереднім впливом на об'ємний резонатор (такий генератор дозволяє отримати двовимірне зображення безпосередньо від лазерного джерела).
При відображенні інформації використовують спосіб "послідовної видачі", коли промінь лазера послідовно обходить всі точки поверхні екрану, або спосіб "вибіркового відображення", коли промінь лазера направляється тільки на ті елементи екрана, у яких вводиться інформація.
Модулятор світла призначений для накладення змінюється в часі інформації на випромінювання лазера шляхом зміни в часі його яскравості. Якщо зміни інформації синхронізовані з переміщенням променя дефлектора, то інформація перетворюється в зорово сприймається зображення.
До основних характеристик модулятора відносять ширину смуги частот, характеристики світлопропускання і відтворення півтонів, контрастні характеристики, рассеиваемую потужність, лінійність і вимоги до модулюючим сигналом. Необхідна смуга частот модулятора залежить від необхідної якості зображення і способу відображення. При послідовної видачу число рядків
n = 2 * 0,75 df (1-C0) / (fkRc), (4)
де df - ширина смуги частот або верхня гранична частота модулятора, МГц; C0 - відношення часу зворотного ходу до повного часу розгортки; fk - частота зміни кадрів, с; Rc - роздільна здатність по рядках, лінія / кадр; 0,75 - коефіцієнт, враховує формат кадру, що дорівнює 4:3.
Коефіцієнт 2 в (4) враховує, що перехід від чорного елемента розгортки до сусіднього білому проісходітза час одного періоду модулюючого сигналу.
При вибірковому відображенні ширина смуги частот модулятора визначається швидкодією системи відхилення. У цьому випадку модулятор в основному використовують тільки для гасіння променя в моменти його перемикання, тобто при переході від знака до знака, і тому необхідна ширина смуги частот виявляється меншою, ніж у першому випадку.
Характеристики світлопропускання модулятора значною мірою визначають його надійність, так як розсіяння навіть декількох відсотком потужності лазера може призвести до перегріву кристалічних елементів, з яких виготовляють модулятори.
Контраст характеризується відношенням максимальної потужності, що проходить через модулятор, що знаходиться у збудженому стані, до мінімально досяжному значенню потужності, яка тим менше, чим менше расходимость променя. Використовуючи промені з мінімальним кутовим розходженням, можна за рахунок погіршення світлопропускання підвищити контраст. Для отримання п'яти градацій півтонів потрібно контрастність більше 20 і лінійна модуляційна характеристика. Цими трабованиям можна знехтувати, якщо пристрій повинен відображати знаки, а не напівтонові зображення.
Для зміни інтенсивності променя лазера використовуються різні способи. Необхідність відтворення широкої смуги частот з метою отримання високої роздільної здатності вимагає швидкодіючих пристроїв, в якості яких використовують електрооптичні модулятори з лінійним або квадратичним ефектом.
Лінійний електрооптичний ефект (ефект Поккелса) виникає при порушенні кристалів дігідроген фосфату калію, дідейтеріум фосфату калію, дігідроген фосфату амонію. Характерна риса таких модуляторів - те, що прикладена електроческое полі паралельно напрямку світлового променя.
Багато ізотропні матеріали, вміщені в електроческое поле, ведуть себе подібно одноосьовим кристалам, оптична вісь яких збігається з напрямком поля. У цьому випадку наведене подвійне променезаломлення є функцією квадрата напруженості електричного поля, а саме явище називається квадратичним електрооптичних ефектів (ефект Керра). Квадратичний ефект спостерігається при використанні нітробензолу, кристалів з сімейства перовскитів і т. д.
Дефлектори, що здійснюють управління променем, засновані на різних способах відхилення променя: механічному, рефракційно, дифракційної, когерентної оптичної фазової решітки, двійкового електрооптичного управління положенням променя і ін
Механічний спосіб реалізується за допомогою застосування двох обертових багатогранних призм або дзеркала з дуже високим коефіцієнтом відображення, що переміщує по горизонталі й вертикалі п'єзоелектричним і гальванометричних приводами. Спосіб забезпечує відносно великі робочі кути відхилення (до 10 - 12) і досить високий оптичний коефіцієнт корисної дії. Швидкодія таких пристроїв мало, тому їх можна використовувати лише при режимі послідовної видачі. Крім того, їм властиві нестабільність, жорсткі допуски на елементи, труднощі синхронізації і т. д.
Рефракційні спосіб реалізує відоме оптичне властивість - відхилення світлового променя в слідстві заломлення (рефракції) на кордоні
двох прозорих середовищ. У цьому випадку застосовують електрооптичних призму або ультразвукову рефракційну клітинку.
Дифракційний спосіб може бути використаний, якщо діаметр падаючого світлового пучка істотно більше довжини ультразвукової хвилі, коли виникає дифракція світла (при растрової розгортці). Він забезпечує малі робочі кути (до декількох градусів) і низьку ефективність відхилення.
Спосіб когерентної оптичної фазової решітки заснований на властивості випромінювання лазера, що характеризується високим ступенем тимчасової і просторової когерентності. Ця властивість використовується для відхилення лазерного променя за рахунок розділення його на безліч паралельних променів і зміни відносних фаз між сусідніми променями в ближній зоні поля. Цей спосіб вимагає високої стабільності як джерела світла, так і дефлектора і має ряд інших обмежень.
Спосіб двійкового електрооптичного управління світловим променем заснований на використанні властивості подвійного променезаломлення деяких речовин. У таких речовинах звичайний Неполяризоване промінь світла розщеплюється на два промені. Один з променів називається звичайним, а інший - незвичайним. Ці промені лінійно поляризована, причому площині їх поляризації взаємно ортогональні. Якщо світло, що падає на речовину з подвійним променезаломленням (по нормалі), повністю лінійно поляризований і його площина поляризації збігається з площиною поляризації звичайного променя, то світло проходить не відхиляючись. Якщо падаюче світло лінійно поляризований в площині незвичайного променя, вихідний промінь виявляється зміщеним відносно точки виходу звичайного променя. Величина такого зміщення пропорційна товщині кристала з подвійним променезаломленням (КДП). В якості такої речовини використовують кальцит. Кристал такого рада може виконувати функцію двійкового перемикання лінійно поляризованого світла, що перетворює звичайний О-промінь у незвичайний H-промінь шляхом введення фазового запізнювання на 180 при впливі на кристал напруги напівхвильового запізнювання.
На рис. показана схема двійкового перемикача. Коли на кристал падає лінійно поляризоване світло, площина поляризації якого збігається з площиною поляризації О - променя (прикладена до електрооптичний кристалу ЕОК напруга дорівнює нулю), - перемикач відкритий. У цьому випадку світло через кристал кальциту КДП проходить не відхиляючись, а точка виходу світла відповідає точці виходу О - променя. Якщо до ЕОК прикладена напруга U, то перемикач закритий, падаючий Про - промінь перетворюється в H - промінь, світло поширюється по шляху, відповідному шляху H - променя. Комбінація ЕОК і КДП представляє собою двійкове електрооптичні пристрій управління становищем світлового променя.
Якщо світло пропускати через n перемикачів, то можна отримати 2 керованих положень променя. Щоб отримати двовимірну систему відхилення, необхідно використовувати другу систему перемикачів, яка повинна забезпечувати зміщення променя в напрямку, перпендикулярному першому.
Цей спосіб управління променем - перспективний. Для забезпечення максимальної чіткості зображення в уои з великими екранами застосовують лазери безперервної дії з потужністю в декілька ватів, як ККД - кристалічний кварц і ісландський шпат.
Багатобарвне зображення може бути отримано використанням кількох лазерів, що працюють паралельно і мають різні спектральні лінії випромінювання, причому у кожного лазера своя система відхилення, налаштована на відповідну лінію випромінювання.
Система аналогічного призначення може бути розрахована на роботу кількох лазерів на загальне пристрій дискретного відхилення, в якому за допомогою спеціальних заходів усунені хроматичні аберації. Більш досконала система, в якій випромінюється кілька квітів від одного лазерного генератора з перемикаючимися лініями випромінювання, що працює на загальний хроматичне дискретне пристрій відхилення.
Переваги уои колективного користування на лазерах: відображення інформації в реальному масштабі часу, висока роздільна здатність, отримання багатобарвних зображень, відсутність проміжних носіїв, можливість створення екрану практично будь-яких розмірів для колективного користування.
До недоліків їх слід віднести складність, низьку ефективність, малу надійність та наявність сцінцілляцій (іскріння) зображення.
Однак суттєві переваги уои на лазерах, а також інтенсивний розвиток і вдосконалення лазерної техніки дозволяють вважати їх дуже перспективними, тому в останні роки ведуться великі роботи, спрямовані на розробку, дослідження та впровадження уои на лазерах.
Висновок.
Системи індикації, які з'являться в найближчі 20 років, ймовірно, будуть значно відрізнятися від систем, що використовуються в даний час, внаслідок застосування в них ряду методів, що знаходяться зараз у стадії наукових досліджень.
На даний час лазерні засоби відображення інформації займають одне з провідних місць у системах відображення інформації і при подальших темпах розвитку, можливо, в найближчому майбутньому займуть перше місце.